queima biomassa caldeira

59

Transcript of queima biomassa caldeira

Page 1: queima biomassa caldeira
Page 2: queima biomassa caldeira

FONTES ALTERNATIVAS

DE ENERGIA PARA

A AGRICULTURA

Energia de biomassa Energia solar • Outras fontes

MODULO 1 - PARTE A

COMBUSTÃO DE BIOMASSA

MEC - MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E CULTURA CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

ABE S ■ Associação Brasileira de Educação Agrícola Superior

Page 3: queima biomassa caldeira

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE EDUCAÇÃO AGRÍCOLA SUPERIOR SCS-Ed. Ceará - 59 andar - Salas 507/09 - Tel.: (061) 225-5928 - 70.303 - Brasília-DF

Curso de Fontes Alternativas de Energia

Inicio: 06/05/85 Módulo

Introdutório —

Revisão : Noções Básicas e Mecânica de Fluidos; Fundamentos de Cálculo Diferencial e Integral; Fundamentos de Química e Conceitos Básicos de Termodinâmica.

Período : 06/05 à 07/06/85 Duração : 50 horas Tutores : Prof? Maria da Conceição Pinheiro — UFV

Prof. Jadir Nogueira da Silva — UFV Prof. Heleno Nascimento Santos — UFV Prof. Efrain Lázaro dos Reis — UFV

MODULO 1 - ENERGIA DA BIOMASSA Período : 10/06/85 à 15/11/85 Duração : 230 horas Tutores : Prof. Jadir Nogueira da Silva — UFV

Prof. Hélio Correia - ESAL Prof. Carlos Frederico Hermeto — ESAL

I ENCONTRO NACIONAL Período : 19/11/85 à 21/11/85 Local : Belo Horizonte

MÓDULO 2 - ENERGIA SOLAR E SUAS APLICAÇÕES Período : 25/11 /85 à 01/04/86 Duração : 150 horas Tutores : Prof. Rogério Pinheiro Kruppel — UFPB

Prof. Fernando França - UNICAMP

MÓDULO 3 - OUTRAS FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVA Período : 07/04 à 23/05/86 Duração : 70 horas Tutores : Prof. Teimo Silva Araújo — UFPB

Prof. Deme'trio Bastos Netto - IPQM

29 ENCONTRO NACIONAL Período : 3,4 e 5 de junho de 1986 Local : Brasília-DF * O Período de 20/12/85 à 12/01/86 será de ferias não sendo portanto computado no

tempo do curso.

Término: 05/06/86

Page 4: queima biomassa caldeira

Página 5. FORNALHAS 33

5.1. Fornalhas para Combustíveis Sólidos 33 5.1.1. Fornalha sem Trocador de Calor 33

5.1.1.1. Dimensionamento 36 5.1.2. Fornalha com Trocador de Calor 38

6. CALDEIRA À LENHA 39

6.1. A Combustão da Lenha 39

6.2. Câmaras de Combustão 40

6.3. Caldeiras 43 6.3.1. Caldeiras Fogotubulares (FT) 43

6.3.1.1. Fogotubulares Verticais (FTV) 43 6.3.1.2. Fogotubulares Horizontais (FTH) 45

6.3.2. Caldeiras Aquatubulares (AT) 46 6.3.2.1. Caldeiras de Câmaras (AT-C) 47 6.3.2.2. Caldeiras de Dois Tambores (AT-2T) 48

6.4. Caldeiras Mistas 48

6.5. Generalidades 49

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 51

APÊNDICE I - Variação dos Podêres Caloríficos da Lenha com a Umidade

APÊNDICE II - Rendimento Térmico de Fornalha a Lenha em re lação ao Poder Calorífico Superior, sendo Isolamento de Tijolos Refratários e Excesso de Ar de 40%.

Page 5: queima biomassa caldeira

FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA PARA A AGRICULTURA CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO POR TUTORIA À DISTÂNCIA

MODULO 1 PARTE A -

COMBUSTÃO DE BIOMASSA

ÍNDICE

1 . INTRODUÇÃO

2. COMBUSTÍVEIS 2.1. Poder Calorífico

2.1.1. Métodos de Calculo 2.2

Combustíveis Sólidos 2.2.1 . Lenha 2.2.2. Carvão Mineral 2.2.3. Carvão Vegetal 2.2.4. Coque 2.2.5. Resíduos Agrícolas 2.2.6. Coque do Coco de Babaçu

Combustíveis Líquidos 2.3.1. Petróleo

2.3.2. Óleo de Xisto 2.3.3. Álcool Etílico

2.4. Combustíveis Gasosos

COMBUSTÃO 3.1. Requisitos para uma Combustão Adequada Cálculo do Ar Necessário para a Combustão 0 Excesso de Ar Cálculo dos Produtos da Combustão Temperatura da Combustão 3.5.1. Temperatura Teórica da Chama 3.5.2. Temperatura Média da Câmara de Combustão

4. COMBUSTÃO DA LENHA 4.1. Introdução 4.2. Combustão da Lenha 4.3. Temperatura da Combustão 4.4. Absorção na Fornalha 4.5. Rendimento Térmico 4.6. Conversão de Combustível

Pagina

1

3 3 4 7 7 8 .8 8 8 11 11 11 11 11 11

12 13 14 14 15 17 17 18

20 20 21 24 25 26 31

2.3,

3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

Page 6: queima biomassa caldeira

FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA PARA A AGRICULTURA CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO POR TUTORIA À DISTÂNCIA

MODULO 01 - PARTE 1 - COMBUSTÃO

OBJETIVOS Ao final da leitura do

Modulo o aluno deverá ser capaz de:

1. Diferenciar um dos outros, os processos de combustão, piró lise e gaseificação

2. Descrever os diversos tipos de combustão e suas proprieda -des.

3. Descrever e/ou explicar os requisitos para uma combustão a-dequada.

4. Calcular o ar necessário para combustão de Biomassa.

5. Reconhecer e/ou Descrever os diversos tipos de fornalhas e caldeiras que utilizam Biomassa como combustível.

6. Reconhecer e/ou descrever técnicas de dimencionamento de For nalhas.

Page 7: queima biomassa caldeira

FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA PARA A AGRICULTURA CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO POR TUTORIA À DISTÂNCIA

MÓDULO 1

PARTE A - COMBUSTÃO DE BIOMASSA

I. INTRODUÇÃO

Apesar de que as reservas mundiais de petróleo e gás natu-ral não vão acabar da noite para o dia, dois fatores têm contribuí do para que se acelerem pesqui sas em fontes alternativas dê" energia. 0 primeiro deles é o al-to custo associado aos combustí veis fosseis. 0 segundo é a incer-teza de suprimento constantes principalmente de petróleo, devi-do as constantes instabilidades -políticas e militares no Oriente Médio, recentemente agravado com a interminável Guerra Santa Irá-Iraque.

Biomassa, isto é lenha, re-síduos agrícolas, etc., tem mere-

cido atenção ultimamente, como uma fonte alternativa de energia renovável e deve ser vista como boa opção, senão a melhor, para os países subdesenvolvidos e em desenvolvimento que dependem dos combustíveis fosseis importados . Para estes países o petróleo deve ser visto como uma fonte nobre de energia e usado somente na fa-bricação de produtos químicos in-dispensáveis, e nunca como fonte de calor .

Os principais caminhos a se guir para aproveitamento da ener" gia da biomassa estão ilustrados na Figura 1.

FIGURA 1 - Caminhos para conversão de biomassa.

E muito importante diferen ciar uns dos outros os processos de Combustão Direta, Gasificação

e Pirolise. Isto pode ser feito a-traves da análise da Razão Equiva. lência (RE) definida como:

RE = Peso do Oxidante/Peso da Biomassa____

Razão estequiomêtrica Oxidante/Biomassa

Page 8: queima biomassa caldeira

Curso do Especialização por Tutoria à Distância

Para a Combustão Direta (queima) a razão de equivalência é igual ou maior que 1, isto é a combustão se faz com a quantidade estequiometrica (teórica) de ar, ou com excesso de ar. Para a Ga-seificação, a razão de equivalên-cia varia, entre 0,20 a 0,40, is-to e, 20 a 40% da razão estequio-metrica, e para a Pirolise a ra-zão da equivalência é teoricamen-te zero. Para esclarecer este conceito vejamos o seguinte exem-plo: para queimar (combustão dire_ ta) 1 kg de madeira precisamos dê cerca de 6,4 kg de ar (quantidade estequiomêtrica) ou mais, (queima

com excesso de ar) . Ja para gasi_ ficar 1 kg de madeira devemos ce~ der de 1,28 kg ate 2,56 kg de ar, enquanto que para pirolizar não devemos ceder ar nenhum.

No Brasil, atualmente, cer-ca de 301 de toda energia consumi da é proveniente da biomassa. A contribuição da biomassa como e-nergêtico difere de estado para estado . Particularmente.' em Minas Ge rais a biomassa contribuiu, em 1984, com cerca de 41% de toda e-nergia consumida no Estado. Esta importância da biomassa energéti-ca para Minas e Brasil está ilus-trada na Tabela 1.

MG/BR - t 1978 1979 1980 1981 1982 1983

Lenha e Carvão Vegetal 5.941 26.237 22,6

6.499 26.934 24,1

7.260 28.096 25,8

6.835 27.547 24,8

6.519 28.144 23,2

6.81828.90123,6

Petróleo, Gás Natural e Deriva dos

5.285 52.643 10,0

5.461 56.539 9,7

5.198 55.043 9,4

4.630 50.492 9,2

4.380 50.139 8,7

3.94849.326

8,0

Energia Hidráulica 3.737 25.326 14,8

4.453 28.809 15,5

5.102 32.170 15,9

5.218 32.651 16,0

5.403 34.935 15,5

5.58638.02514,7

Carvão Metalúrgico e Coque 1.160 3.521 32,9

1.487 4.062 36,6

1.522 4.230 36,0

1.152 3.376 34,1

1.429 3.785 37,8

1.2924.52928,5

Carvão Energético 1.151

11 1.099 1,0

67 1.206 5,6

171 1.794 9,5

306 2.196 13,9

3122.16314,4

Cana-de-Açúcar e Álcool 463 9.861 4,7

617 11.089 5,6

671 12.109 5,5

681 12.719 5,4

760 14.062 5,4

1.011 17.26

45,9

Outras Fontes Primárias 153 184 83,2

207 236 87,7

271 335 80,9

224 470 47,7

284 523 54,3

248408

60,8

T O T A L 16.739 118.923 14,1

18.735 128.768 14,5

20.091 133.189 15,1

18.911 129.049 14,7

19.081 133.784 14,3

19.215140.61613,2

Fonte: CEMIG

2

TABELA 1 - Consumo Total de Energia - Minas Gerais e Brasil

Page 9: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

Faremos neste curso um estu do da combustão de biomassa. Con ceitos básicos serão introduzidos e serão seguidos por uma coletâ-nea de literatura existente. Es tes trabalhos, transmitidos em parte ou ipsis-literis, certamen te contribuirão para o aperfeiçoa mento do aluno na matéria em ques-tão, pois foram feitos por técni-cos da área. 0 grau de profundida-de científica e pratica dos traba_ lhos são distintos propositalmen- te. Com esta metodologia pretende_ mos expor os alunos a diferentes maneiras de abordar o problema.

2. COMBUSTÍVEIS*

Combustíveis em termos pra_ ticos, são as substâncias que po dem queimar liberando calor.

Os combustíveis podem ser classificados em sólidos, líqui-dos e gasosos e cada um desses po-de. ser natural ou derivado. Na turais são aqueles usados nas mesmas condições em que são ex-traídos da natureza. Exemplo; le-nha, carvão de pedra, gas natu-ral, resíduos agrícolas. Deriva, dos são aqueles que resultam de algum processo de preparação. : E-xemplos: carvão vegetal, coque,de rivados de petróleo, álcool, etc.

2.1. PODER CALORÍFICO

Dentre as características dos combustíveis a mais importan-te e poder calorífico. 0 poder ca lorífico de um combustível e a quantidade de energia desprendida na combustão completa de uma unidade em peso (ou em volume) de determinado combustível, veja Qua dro 2. 0 poder calorífico depende" das características químicas do combustível e não das condições onde é queimado, visto que se con sidera a combustão completa do-mesmo. Geralmente e dividido em superior e inferior.

0 poder calorífico superior (PCS) é medido pela bomba calori-mêtrica. É aquele que leva em con ta o calor da condensação do va-por d'água dos produtos da combus_ tão. 0 poder calorífico inferior (PCI) é aquele que não leva em conta o calor de condensação do vapor d'água formado pelos produ-tos da combustão. Haja visto que os gases da combustão deixam os equipamentos de utilização do^ca-lor total_de vaporização da água formada não é utilizado. Este pre cisa ser deduzido do poder calori-fico superior, resultando então o poder calorífico inferior,que nor malmente é usado na prática. O po_ der calorífico inferior é também chamado de poder calorífico líqui-do ou prático .

Fonte: Andrade et alii (1).

Page 10: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

QUADRO 2 - Poder calorífico inferior de.alguns combustíveis.

Poder Calorífico Combustível (KJ/kg)

; Lenha seca ao ar 11286 a 15884 . Carvão de pedra (hulha) 31391 . Carvão vegetal 27170 . Coque de carvão de pedra 31350 a 33440 . Bagaço de cana 6688 . Coque de coco babaçu 31768 . Casca de arroz 11704 . Óleo diesel 43890 a 45980 . Querosene e gasolina 41800 a 45980 . Álcool etílico 26585 . Gás natural 33440 a 54340 . GLP 100320 (KJ/Nm3) . Gás de gasogênio 5016 a 5832

(KJ/Nm3)

2.1.1. Métodos de Calculo

a) Método Experimental

Para os combustíveis soli. dos o calorímetro de uso mais ge_ neralizado é de Berthelot-Mahler, comumente chamado de Bomba Calo-rimetrica de Mahler (Figura 2).0 seu funcionamento se baseia na combustão completa de uma amos tra de combustível de peso conhe cido em atmosfera rica em oxigê-nio .

Após o balanço de se :

onde:

g = massa de combustível (kg)

N = poder calorífico da amostra (PCI) (KJ/kg) M = massa de agua (kg) A=constante do aparelho (kg) t2 ,t1.= temperatura final e inicial de equilíbrio respectivamen te (°C) C = calor específico da agua P (KJ/kg°C).

0 método de cálculo do po-der calorífico através da bomba calorimétrica de Mahler fornece o poder calorífico superior visto que para se chegar ao equilíbrio, após a combustão ocorre condena-ção do vapor d'ãgua.

calortem-

Page 11: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

FIGURA 2 - Bomba Calorimetrica de Malher

Page 12: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização -por Tutoria a Distância b) Método Analítico de reação de um corpo composto que

é igual a soma dos valores dos po_ - 0 cálculo a partir da compo deres caloríficos de cada dos com sição química é baseado no calor ponentes (Quadro 3).

QUADRO 3 - Podêres caloríficos

Elemento Poder calorífico superior Poder calorífico inferior

KJ/kg KJ/Nm3 KJ/kg KJ/Nm3

c s H2

33774 9238

141744

12749 33774 82 38 141744

10743

Apesar deste método ser me- tes, os valores obtidos são próxi nos exato do que o experimental , mos aos do calorímetro. Para mui- por não levar em conta o calor tos combustíveis a diferença é de de dissociação necessário para se 1 a 2% 0 poder calorífico supe parar as moléculas dos componen- rior do combustível será então:

(Eq. 2)

onde PCS = poder calorífico superior fração de hidrogênio no

(KJ/kg) combustível (kg de H2/kg fração de carbono no com de combustível) bustível (kg de C/kg de ■ fração de oxigênio no H2/kg de combustível)combustível (kg de 02/kg de combustível) fração de oxigênio no com = fração de enxofre no com

bustível (kg de S/kg de combustível).

Ja o poder calorífico inferior (PCI) serã calculado através da equação:

Esta expressão é conhecida como formula de Dulong ou seja:

(Eq. 4)

fração de hidrogênio nocombustível (kg de H2/kg de combustível) =

fração de oxigênio no combustível (kg de 02/kg de combustível) =

fração de enxofre no cora bustível (kg de S/kg de

combustível).

Page 13: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

c) Método Empírico

Quando se dispõe apenas da

análise imediata dos combustí- veis ou seja: umidade; matérias voláteis (V), carbono fixo (C) e resíduo fixo, pode-se estimar o

poder calorífico através da (Eq. 5) PCS = 4 . 18(82 . C + aV)(KJ/kg)

(Eq. 5) onde :

a é o coeficiente que depen de da qualidade do combustível,ve ja Quadro 4.

QUADRO 4 - Valores estimados de a

V V + C a

0,05 150 0,05 145 0,10 130 0,15 117 0,20 109 0,25 103 0,30 96 0,35 89 0,40 90

2.2. COMBUSTÍVEIS SÕLIDOS

2.2.1. Lenha

Lenha é a madeira picada ou desdobrada em pedaços de tamanhos adequados para serem queimados ou transformados em carvão.

A analise química elementar mostra que a madeira é constituí da aproximadamente de 50% de car bono,, 6% de hidrogênio_e 44% de oxigênio. Neste caso não se consi_ dera quantidades mínimas de nitro gênio e outros elementos. Esta composição se mantém mais ou me nos constante, independentemente da espécie, diferenças genéticas ou idade, conforme Martins (15).

A lenha é formada por matérias orgânicas que chegam a alcan

çar 3/4 do peso, pequena quantida de de minerais (cinza) , que após a combustão raramente ultrapassa 2% e quantidade variável de água. 0 teor de umidade da lenha recêm-cortada varia de 40 a 55% base tímida e de 20 a 2 5% base úmida na lenha seca. 0 poder calorífico in ferior da lenha varia, dependendo_ se do seu teor de umidade , confor_ me ilustra o apêndice I.

Um conhecimento do poten cial e da versatilidade da madei ra, como fonte de combustível, é um pré-requisito indispensável á analise econômica dos projetos que envolvem a utilização da floresta para a produção de energia.

Pode-se : enumerar as seguin tes vantagens e desvantagens de) uso da lenha como combustível:

As percentagens de: a) umidade (perda de peso da amostra quando aquecida durante uma hora a 105 C); b) matérias voláteis (mistura complexa de produtos que volati lizam, de uma amostra seca, quando aquecida a 950 C durante cerca de 10 min., fora do contato do ar; c) carbono fixo, mistura de carbono, hidrogênio, oxigênio,en xofre e nitrogênio que não são volatilizados na fase anterior mas que são queimados na presença de ar a uma temperatura de 700 a 800 C; d) resíduo fixo - é a fa se incombustível (cinzas).

Page 14: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

Vantagens: . nós países em desenvolvi

mento ainda é o combustível mais barato, tanto por tonelada quanto por unidade de calor;

. mão-de-obra não-qualifica da, gerando emprego e fixação do homem no campo;

. armazenagem possível em espaço livre e aberto;

. baixo teor de cinza e en xofre.

Desvantagens . exigência de muita mão-de

obra, elevando os custos nos pai-ses onde os salários são altos;

. controle por instituições como departamentos florestais, po lícia, etc., necessitando planeja mento para seu uso;

. fornecimentos irregulares, tendo em vista as grandes quanti-dades exigidas;

. poder calorífico inferior ao dos combustíveis fósseis.

Planejando o Uso da Lenha A utilização da madeira, ba-

seada exclusivamente no consumo das reservas nativas, esta em vias de ser encerrado.

A partir dos anos sessenta ganha impulso a implementação de maciços florestais, para produção de madeira e seus subprodutos de modo permanente. Esta transforma-ção surgiu com a conscientização da esgotabilidade daqueles recur-sos. Criou-se assim, a indústria de reflorestamento que se preocu pou, na sua maioria, apenas em participar de uma agressiva corri_ da na captação de incentivos fis-cais, conforme Magalhães (13).

Uma das preocupações dos consumidores de lenha é a garan-tia de suprimento e a economia da sua utilização. Para isto uma das alternativas que se tem é a imple mentação de pequenos refloresta-mentos. Estes reflorestamentos,a-lêm destas vantagens, têm a carac terística de gerar empregos a se rem implementados em terras mui-tas vezes impróprias para a agri-cultura, tais como encostas muito íngremes e topo de morros, confor_

me Ribeiro (16) e Magalhães (13).

2.2.2. Carvão Mineral

É formado pela acumulação de matéria orgânica submetida a trans formações físicas e químicas devi-do a processos geológicos. Confor me as transformações ocorridas há quatro tipos de carvões:

a) Turfa é o estágio ini-cial de transformação; possui al-to teor de voláteis e de umidade, nas jazidas contêm 8 0 a 90% de agua, que pode ser reduzida até 50 a 60% por prensagem; PCI = 16929 KJ/kg;

b) Linhito é o segundo está gio de transformação; tem menos voláteis e é mais denso do que a turfa. Tem elevado grau de umida-de 30 a 40% e PCI =16804 KJ/kg ;

c) Hulha é o terceiro esta-gio de transformação é o mais im-portante para fins industriais PCI = 31392 KJ/kg;

d) Antracito é o último es-tagio de transformação; tem bai-xo teor de voláteis; PCI = 31016 KJ/kg.

2.2.3. Carvão Vegetal

É um produto obtido pela pi rólise da lenha. Pesa cerca de 40% do peso da lenha. 0 alcatrão liberado na produção do carvão te PCI =27211 KJ/kg quando desumidi-ficado .

2.2.4. Coque

É o resíduo obtido na desti lação da hulha. Nesta destilação eliminam-se parte dos materiais voláteis e parte das cinzas. 0 I der calorífico inferior do coque é de 31400 a 33500 KJ/kg.

2.2.5. Resíduos Agrícolas

São aqueles obtidos após colheita de produtos agrícolas tais como: bagaço de cana, caso

Page 15: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

de arroz, palha de arroz, palha de café, sabugo de milho, etc.

Segundo Claar II (5), para evitar a erosão e para manter a fertilidade do solo são necessá-rios de 36 a 50 % do total de resí duos agrícolas produzidos. Para a secagem seriam necessários por volta de 15% do total de sabugos produzidos ou 5% do total de resí-duos produzidos em uma lavoura de milho com produtividade media de 7,22 t/ha ou 2,4 t/ha de sabugo. Não foram consideradas 4,5 t/ha de resíduos, compostos pela plan

ta de milho. Calcula-se que 681 do total de sabugos produzidos se riam suficientes para secagem doü grãos e do próprio sabugo, alem de gerar vapor para a produção de álcool para uma mini-usina insta-lada na fazenda, capaz de suprir as necessidades de combustível li quido para os tratos culturais.

Estimando-se o potencial de produção de energia de alguns re-síduos orgânicos chega-se aos va-lores do Quadro 5, calculados a partir dos valores publicados no Anuário Estatístico do Brasil (8).

QUADRO 5 - Energia produzida por alguns resíduos orgânicos, 1980

Resíduo Energia (1010 KJ)

Palha de arroz Casca de arroz Casca de café Serragem de madeira Bagaço de cana

6128 2454 531 1868

44697

T O T A L 56678

Daquele total estima-se que 50% não e aproveitado. Sendo que atualmente daqueles resíduos o ba gaço de cana e um dos mais apro-veitados, contribuindo para a eco nomia nacional, em 1980, da ordem de 27.839x1010 KJ. Para se ter uma idéia do quanto este valor re presenta, no Quadro 6 estão amos-

tradas as necessidades energéti -cas para a secagem dos principais produtos agrícolas brasileiros Sem duvida, é a etapa onde se tem o maior consumo de energia por kg de produto armazenado, podendo re presentar até 40 a 50% do gasto no processamento de alguns produ tos .

Page 16: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria ã Distância

QUADRO 6 - Energia necessária para agrícolas brasileiros .

a secagem dos principais produtos

Produto Produção 1980

(Ton.)

(1)

Energia para secar 1 tonelada (103 KJ)

Energia para secar produção de 1980

(1010 KJ)

Arroz em casca Feijão em grão Milho em grão Soja em grão Trigo em grão Café em coco Amendoim em casca

9.775.720 1.968.165 20.372.072 15.155.804 2.701.703 2.122.391 482.819

1729 937 937 632 632 2082 1249

713 184 1908 958 1707 442 60

T O T A L 52.578.584 5972

(D Fonte: Anuário Estatístico do Brasil, 1981 FIBGE (4).

Deste quadro vemos que são necessários 5972x1010 KJ para se_ cagem da produção brasileira de arroz, feijão, milho, soja, trigo, café e amendoim. Isto representa apenas uma parte potencial da pa-lha do arroz, da casca do arroz , da casca do café, da serragem de madeira e da energia do bagaço de cana daria para secagem de aproxi-madamente 9,3 vezes a produção da_ queles produtos.

A título de ilustração pode_ mos estimar que 12,0% dos resí-duos (casca e palha) da produção de arroz daria para secagem do mesmo.

Supondo neste caso: a) 1 kg de resíduos produz

6270 KJ b) são necessários 2.700 KJ

por kg de água evaporada do arroz c) A eficiência de secagem

é por volta de 30% d) 0 arroz será seco de 201

para 13% base úmida. Os resíduos agrícolas como

vemos têm um grande potencial e-nergético e o bagaço de cana já contribui com parcela significati-va no balanço energético do Bra-sil .

0 Conselho Nacional do Pe-tróleo baixou portaria proibindo o uso de derivados de petróleo pa ra a secagem de produtos agríco_

las no Brasil. Este fato aliado a crise dos preços do petróleo moti va o setor agrário a buscar fon-tes alternativas de energia para secagem.

E sabido que, dependendo do caso, os resíduos tem aplicações mais nobres, por exemplo para se fazer estéreo ou placas de aglome rado ou para se fazer papel. Con-tudo , dependendo da situação, o seu uso como vetor energético pol deria ser mais econômico.

Um dos problemas que se tem na utilização dos resíduos orgâni cos para fins energéticos é o seu manuseio. Há de se pesquisar, em dois setores, para melhor eco-nomia da utilização dos resíduos:

a) adaptar as fornalhas ao tipo de combustível existente. Ja existem modelos de fornalhas adap tadas a queima de resíduos pulve rizados ;

b) adaptar o combustível aos tipos de fornalhas disponíveis.

Briquetagem é a operação ge ralmente utilizada para recupera-ção de combustíveis pulverizados (finamente divididos) , e que por isso seriam de difícil consumo nas grelhas comuns. Recorre-se en tão ao expediente de aglutinar es-te material de forma a fornecer blocos prensados, possíveis de se

Page 17: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas do Energia -para a Agricultura

rem queimados (6). A obtenção de briquetes po

de ser conseguida com um agluti-nante estranho ao material combus tível ou a custa de seu próprio" poder aglutinante, se for o caso (6). As substâncias aglutinantes tem de atender aos requisitos de baixo custo, baixo teor de cinzas e alto poder calorífico. Alguns já são utilizados, tais como:

a) goma de amido de mandio-ca

b) resíduo de matadouro c) breu d) alcatrão de madeira, etc.

A briquetagem de carvão é largamente utilizada e tem sido estudada de longa data, contudo a briquetagem de produtos agrícolas só agora vem merecendo maior interesse, haja visto a crise e-nergética mundial.

2.2.6. Coque do Coco de Babaçu

0 babaçu e uma palmeira na tiva do nordeste brasileiro. 0 co co é formado por uma casca consti-tuída de material fibroso de gran de potencial energético. 0 coque de babaçu tem o poder calorífico inferior de 31768 KJ/kg.

2.3. COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS

Os principais combustíveis líquidos são o álcool etílico, o xisto e o petróleo com seus deri-vados. 0 alto preço destes produ tos e sua grande demanda em ou tros setores fizeram com que o go_ verno brasileiro proibisse o uso destes combustíveis na secagem de grãos e outros produtos agrícolas.

2.3.1. Petróleo

É uma substância oleosa constituída pela mistura de com-postos orgânicos (hidrocarbonetos) 0 petróleo como sai do poço, quase não tem utilização pratica ;por destilação separam-se seus diver-sos componentes, tais como: gaso-lina, querosene, óleo diesel,fuel oil , etc.

2.3.2. óleo de Xisto

É um 5leo semelhante ao pe_ troleo, obtido de algumas rochas oleíferas chamadas "xisto".

2.3.3. Álcool Etílico

E um produto extraído de várias plantas principalmente da cana e da mandioca. Ao contrario do petróleo, é um produto renová-vel .

2.4. COMBUSTÍVEIS GASOSOS

É formado por mistura de gases. 0 mais comum é o gás lique_ feito de petróleo (G.L.P.). 0 biogás utilizado em propriedades rurais é formada pela fermentação de resíduos orgânicos. Estes com-bustíveis não são usados na seca-gem de grãos pois o G.L.P. é sub-sidiado pelo governo brasileiro para uso na cocção de alimentos e o biogás é produzido muito lenta-mente através da fermentação.

0 gasogênio poderia ser usa. do na secagem de grãos , se não houvesse dificuldades na sua ob-tenção. É um gás pobre produzido soprando-se ar ambiente em uma ca-mada de carvão incandescente; pos

Page 18: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria ã Distância

sui 5 2 a 55% de nitrogênio que não é combustível, dai ser chamado de gás pobre.

3. COMBUSTÃO

0 processo de combustão en volve a oxidação dos constituin--tes de um combustível que pode ser oxidada. Pode ser representado por uma equação química (reveja o mo-dulo introdutório de química), e durante o processo a massa de ca-da elemento permanece constante.

Consideremos como exemplo a queima do carbono (reação do car-bono com o oxigênio) :

(reagentes) (produto)

Seja agora um combustível constituído por hidrocarbonetos , onde o carbono (C) e o hidrogênio (H) são oxidados:

Nota-se que alem de C02, á_

gua foi produzida no processo de combustão.

Consideremos a combustão do CH., agora com o ar, que é forma-do por, aproximadamente 21% (por volume) de Oxigênio e 79% de Ni-trogênio.

Onde 3,76=79/21, significando que para cada mol de oxigênio , 3,76 moles de N2 estão envolvidos.

A quantidade mínima de ar que fornece oxigênio suficiente para oxidação completa dos elemen tos do combustível é chamada "ar teórico". Quando a combustão é feita com o ar teórico, não há oxigênio nos produtos. Caso con-trario pode haver. Por exemplo:

representa a combustão do CH. (me tano) com 150% de ar teórico', ou seja com 50% de excesso de ar.

A relação ar teorico-combus tível é a relação entre a massa (ou moles) de ar teórico e a mas sa ou moles do combustível. É re" presentada por AC. o seu recípro-co, representado por CA é a rela-ção combustível-ar.

Problema: 1) Faça a equação de combustão do

metano (CH.) com 120% de ar teórico e calcule as razões AC e CA.

2) Suponha agora a queima do CH. com ar atmosférico com a aná-lise dos produtos como sendo: Determine a equação da combus-tão. Calcule AC e a percenta-gem de ar teórico.

3) Estude num livro de termodinâ mica ou de química o que é "Entalpia de formação". Como você poderia usar este concei- to em combustão/combustíveis?

3. COMBUSTÃO* Denomina-se combustão as

rea-ções químicas exotérmicas em que intervêm o oxigênio, produzindo calor em forma aproveitável. Ale' do oxigênio e do combustível é ne cessário que este seja aquecido I ate a temperatura de ignição. Por exemplo, com um palito de fósforo consegue-se queimar uma folha de papel mas não se consegue que

* Fonte: Andrade et alii (1).

Page 19: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

um pau de lenha, pois a tempe tura de ignição do

papel e mui-to mais baixa que a da lenha. As

temperaturas de ignição de alguns combustíveis, a nivel do mar estão no Quadro 7.

QUADRO 7 - Temperaturas de ignição de alguns combustíveis

Carvão vegetal Carvão mineral Metano Et ano Monoxído de carbono GLP Madeira Gás de gasogênio

340 a 400°C 400 a 500°C 640 a 750°C 470 a 630°C 640 a 655°C 500°C 300°C 700 a 800°C

A temperatura de ignição po de ser definida como a temperatu-ra na qual o calor gerado na rea-ção é maior do que o calor perdi-do para o ambiente e, assim, a combustão pode ser mantida. A tem peratura de ignição dos gasosos_, são, geralmente, destilados e nao inflamados antes da temperatura de ignição ser alcançada. Ela de-pende da pressão e do comburente usado, isto é, ar ou oxigênio pu-ro.

Estes três fatores: tempera tura, oxigênio (comburente) e com bustível, formam o "triângulo do fogo" (Figura 3) ou seja, faltan-do um deles não haverá fogo.

Combustível

FIGURA 3 - "Triângulo do Fogo" . Elementos indispensáveis para que haja fogo.

bustível com o ar é necessário que: a) 0 ar e o combustível se

jam dosados numa proporção corre-ta com pequeno excesso de ar;

b) o combustível e o ar se-jam colocados em contato íntimo (turbulência). Para isso é preci-so que o combustível sólido seja dividido em pedaços e o líquido seja pulverizado;

c) o combustível e o ar dis ponham de espaço e tempo para rea lizar a combustão;

d) o combustível e o ar sejam aquecidos ate a temperatura de ignição.

Para que ocorra uma boa com bustão é preciso que haja tempera. tura, turbulência e tempo, que são chamados os 3T da combustão . Se a temperatura for inferior a-quela de ignição a combustão nao ocorrera, mesmo existindo ar em quantidade suficiente. Grande tur bulência provoca mistura violenta do oxigênio com o combustível, re_ duzindo a chama e o volume de for-nalha. Turbulência é fundamental à combustão para que a queima se-ja completa. E necessário tempo para que o oxigênio encontre e reaja com os gases combustíveis na fornalha, e a combustão seja completa.

3-1. REQUISITOS PARA UMA COMBUSTÃO ADEQUADA

Para que ocorra uma boa com bustao além de se misturar o com-

mar

Page 20: queima biomassa caldeira

CURSO de Especialização por Tutoria à Distância 3.2. CALCULO DO AR NECESSÁRIO,

COMBUSTÃO

Gravimétrico

queimar 1 kg

tível solido ou líquido e necessá rio oxigênio, que pode ser prove-niente do ar, de acordo com a E-quação 6.

(Eq. 6)

Como o ar seco apresenta u ma composição gravimétrica media de 23,2% de oxigênio e 76,81 de nitrogênio e uma composição Volu-métrica media de 21.0% de oxigê-

ou onde 1

,251 = densidade do ar (Kg/Nm3) segundo KREITH (1)

=peso do carbono, hidrogênio, enxofre e oxigênio por unidade de peso do combustível,res-pectivamente.

nio_e 79,0% de nitrogênio tem-se então que o ar necessário para a queima de 1 kg de combustível se rã:

(Eq. 7)

Nm3 de ar "Tcg de comb

= quantidade de oxigênio do ar necessário para a combustão completa (kg de 02/kg) = quantidade de ar necessá-rio para combustão completa (kg/kg) ou (Nm3/Nm3).

b) Calculo Volumétrico

(Eq. 9)

0 ar necessário ã combustão sofre modificações de volume com a temperatura e pressão de acordo com a Equação 11.

(Eq. 11)

onde : P1,V1 T1 =pressão atmosférica,

volume e temperatura nas condições normais. P, V, T = idem nas condições de trabalho.

3.3. 0 EXCESSO DE AR

Excesso de ar (n) na combus, tão significa, ter mais ar do que

o necessário para a realização da combustão completa, É calculado a partir da composição química do combustível. É necessário um ex-cesso de ar na combustão para que ela seja completa, pois assegura uma mistura perfeita e íntima do combustível com o ar, devido ao curto espaço de tempo em que am-bos permanecem juntos. A quantida de de excesso de ar é variável Sl do função de uma serie de fatores tais como: tipo de combustível, método de queima, temperatu-ra a ser atingida na fornalha. Os combustíveis sólidos são os que mais exigem excesso de ar de 30 a 60° além da quantidade de al necessária na combustão. Os com-bustíveis líquidos exigem de 10 a 30% e os gasosos de 5 a 20% de excesso de ar. O excesso de ar po-de ser expresso por n, onde:

de combusa) Cálculo

Para

(Eq. 8)

Page 21: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

(Eq. 10)

O Quadro 8 mostra a variação do teor de CO2 nos gases de

combustão com o excesso de ar usa do. Estes valores são úteis quan-do se.deseja monitorar o excesso de ar, analisando os gases de com-bustao.

QUADRO 8 - Variação do C02 (n) nos gases de combustão da lenha variação do excesso de ar. . . . .

com

Excesso de ar

(n%)

o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CO2 (%) 20,2 18,4 16,8 15,5 14,4 13,4 12,6 1 1 ,8 1 1 ,2 10,6 10, 1

DOS PRODUTOS DA COM

Os produtos da combustão são os gases e vapores formados nas reações, os gases e vapores desprendidos diretamente do combustível, nitrogênio do ar, oxigê nio do excesso de ar e umidade do

ar

a) Gases e Vapores Formados nas Reações de Combustão (GR)

Os produtos da combustão são formados a partir das seguintes reações químicas:

(Eq. 11)

(Eq. 12)

(Eq. 13)

n

3.4. CÁLCULO BUSTAO

Page 22: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria ã Distância

A p a r t i r d e s t a s equações é combustão, como e s t ão ilustrados possível calcular os produtos da nos exemplos a b a i x o .

ou

b) Gases e Vapores Liberados Diretamente do Combustível (GV)

(Eq. 16)

ou

(Eq. 17)

c) Nitrogênio do Ar

(

Eq. 18)

d) Oxigênio de Excesso de Ar

(Eq. 19)

e) Umidade do Ar (U) tir da umidade relativa, tempera- tura do ar e pressão atmosféri-Varia

podendo chegar ate ca. 5% podendo ser calculada a par-

(

Eq. 20)

onde: A quantidade total dos pro- U = umidade do ar dutos da combustão será: UR = umidade relativa ambiente

CEq. 21)

Page 23: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

3.5. TEMPERATURA DA COMBUSTÃO

3.5.1. Temperatura Teórica da Cha ma

0 cálculo da temperatura teórica da chama e feito na supo-sição de que todo o calor presen-te, no instante da queima do com-bustível, seja utilizado apenas para aquecer os produtos da com-bustão. A suposição, evidentemen-te, não é verdadeira porque uma parte do calor é perdida por trans missão de calor ao meio ambiente.-Apesar disso os princípios de cal culo são muito instrutivos, e os resultados encontrados, de grande valor para comparação entre os diferentes combustíveis na deter-minação dos efeitos do excesso de ar, do pré-aquecimento do ar, etc. sobre a temperatura a ser alcança da numa combustão.

A energia presente na zona de combustão é constituída pelas seguintes parcelas:

a) energia potencial do com bustível (CO levando em conside-ração o poder calorífico inferior do combustível ;

b) Calor sensível do combus tível (O2),

c) calor sensível no ar uti-lizado na combustão (Q3)

sob forma:de calor sensível (Q )• assim tem-se: 4 '

(Eq. 22) Tem-se também que:

onde

: mc =quantidade de combustível

queimado (kg/s) m=quantidade de ar real uti ar —

lizado (kg/s) PCI = ooder calorífico inferior

do combustível (KJ/kg) C = calor específico do com- pc bustível (KW/kg°C)

C = calor específico do ar (KW/kg°C)

C - calor específico dos pro-dutos da combustão (KW/kg CO

T = temperatura ambiente ( C) T * temperatura do combustí-

vel antes da combustão ( C) T = temperatura do ar de en-

trada (°C) T = temperatura teórica da cha

ma (°C)

após substituição tem-se:

Os produtos de combustão a-pós esta zona, contêm a energia

A temperatura teórica de chama também pode ser calculada a-través da Figura 4, desde que se

saiba o excesso de ar e a capaci-dade do gás de combustão.

Page 24: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria à Distância

Temperatura dos gases de combustão

FIGURA 4 - Curvas usadas no calculo da temperatura teórica da chama.

3.5.2. Temperatura Media da Câma-ra de Combustão

Pode-se calcular a temperatura media da câmara de combustão graficamente como se segue.Em pri-

meiro lugar deve-se conhecer a superfície de aquecimento F ex-posta a radiação, conhecendo-se a temperatura teórica da chama, co-mo foi calculada no item 2.5.1. assim:

(Eq. 28)

onde : F superfície de aquecimento s exposta, a radiação (m2) S = radiação térmica (Eq. 26)

(KW/m2) T = temperatura média da câma-

ra de combustão ( C) T = temperatura teórica da cha.

ma (°C) T = temperatura da parede da

fornalha ( C) m =quantidade de combustível . (kg/h) Q = quantidade real dos gases de combustão (Nm3/kg) C = calor específico dos gases de combustão a pressão cons-tante (KJ/°CNm3).

0 primeiro termo significa

Page 25: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

o calor absorvido pela câmara de combustão e o segundo o calor ce-

dido pelos gases de combustão.

Os valores de F , T, m. Qa

são invariáveis para um dado esta. do, supondo C constante, apenas S e T serão variáveis. Tomando m valores de S e T traçam-se as curvas da Figura 5 , onde a inter_ cessão das curvas fornece a tempe ratura media da câmara de combus-tão .

Exemp]o - Dados:

Traçando as curvas da Figu-ra 5,. com valores de e

tem-se a temperatura media da

chama de 1230°C.

FIGURA 5 - Temperatura media da câmara de combustão obtida com valores de

Page 26: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria ã Distância

Passemos agora a estudar o texto abaixo de Diniz (7).

4. COMBUSTÃO DA LENHA*

4.1. INTRODUÇÃO

Uma caldeira é tão boa quan to a sua fornalha. Toda a técnica de uma caldeira repousa sobre as condições ideais de combustão , pois em geral temos, em qualquer caldeira, uma zona de radiação e outra de convecção. Porem, uma verdade é comum a todas elas:

Transformar na câmara de combustão os combustíveis em ga-ses de combustão. Em outras pala vras , buscar obter gases que per-mutam seu calor com a água que vai-se evaporar.

Apesar de termos o mesmo fim os meios são bem diferentes.

Sempre se atribui a uma boa combustão a condição de se ter 3T, isto é: Turbulência, Tempo, Tempe ratura.

A Turbulênciase refere a uma íntima combinação do oxigênio com o combustível . e a turbulên-cia propicia esta condição. Nos combustíveis líquidos e gasosos , esta situação é facilmente atingi-da pela atomização. Nos combustí-veis sólidos em estado de pó ou muito subdivididos, tal como o carvão pulverizado, serragem, cas ca de arroz, etc., também pode-se atingir tal turbulência. Nota-se que o excesso de ar requerido pa-ra a combustão é decorrência des-ta condição. Voltaremos a este ponto oportunamente.

0 Tempo se refere a duração desta combustão, ou seja, o tempo de permanência ou residência na fornalha. A palavra fornalha tem aqui o sentido amplo de lugar ou espaço onde se inicia e se

completa a combustão. Uma partícu la de combustível atingirá a to-tal combustão se permanecer tem-po suficiente em contacto com o oxigênio, o que lhe permitira com pletar a combustão, isto é, quê todos os seus elementos combustí-veis (carbono, hidrogênio, enxo-fre, etc.), se transformem em ga-ses de combustão.

A Temperatura tem aqui o significado que se pode considerar bem amplo, pois a uma baixa tempe ratura a combustão não ocorre e a uma temperatura muito elevada po-demos ter a fusão das cinzas. A temperatura é mais importante na transmissão de calor, constituin-do-se' em parâmetro de relevante papel no dimensionamento da câmara de combustão e da zona de con-vecção da caldeira.

A título de ilustração, na Tabela I relacionamos alguns com-bustíveis e suas temperaturas de ignição, que é a temperatura em que mais calor é gerado na reação do que é perdido no meio ambiente e então a combustão se auto-sus-tenta. Abaixo desta temperatura a combustão nao se realiza. Em caso de combustão de certos gases po-bres , o projeto da câmara se tor-na crítico pela manutenção defuma temperatura mínima de combustão,e isto é conseguido queimando-se quando se opera em carga baixa,um combustível auxiliar.

Existe uma relação entre o tempo e a temperatura, porque a velocidade da chama aumenta com ar temperatura, mas este assunto fo ge ao escopo deste trabalho.

Fonte: Diniz(7).

Page 27: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

TABELA I - Ponto de inflamação em C

Turfa (seca) :.................... 225 Enxofro: ......................... 24 3 Lignita (seca): .............. .. 250-450 Querosene: ..................... 255-295 Gasolina: ....................... 260-427 Madeira (seca) : .................. 300 Carbono Fixo - Carvão BIT.: .... 410 Carbono Fixo - Semi BIT.: .... 470 Acetileno: ......... .......... 485 Carbono Fixo - Antracltico: .... 500 Óleo: ............................ 530-580 Gás de Coqueria: ................................... 550-650 Hidrogênio:..................................................... 610 Monóxido de Carbono: ................................ 655 Coque: .......................... 700 Gás de Gasogênio: ............... 700-800 Gás de Alto-Forno: .............. 700-800

4.2. COMBUSTÃO DA LENHA

Para se atingir os 3T se di mensiona uma fornalha assumindo compromissos que permitam otimi-zar cada T envolvido.

Deixaremos de comentar fato_ res que possam influir na decisão em se queimar lenha, a não ser os econômicos e os técnicos.

Na Tabela II estão indica-dos todos os dados importantes na combustão da lenha, no que tange aos aspectos físicos e químicos. é dada uma analise típica que será usada neste trabalho. Desta tabe-la tiramos a análise química, o C02 máximo, os podêres calorífi-cos e o ar teórico de combustão.

TABELA II - Dados típicos da le nha seca

Carbono - - - 50,30% Hidrogênio - - 6,20% Oxigênio - - 4 3,0 8% Nitrogênio - - 0,04% Cinzas - - - -0,37%

PCS ------ 5083 kcal/kg PCI______ 4755 kcal/kg Ar Teórico - - 6,0 67 kcal/kg CO2, máximo - - - 20,02%

2

Estes elementos são carac terísticos do combustível, e é a

partir deles que são feitos todos os demais cálculos de combustão e transmissão de calor.

Por uma questão de clareza são mostradas, a seguir, algumas figuras que ilustram de maneira inquestionável o que se passa com a lenha quando a umidade se modi-fica. 0 primeiro retângulo ilus tra a análise da lenha seca e o segundo a lenha contendo 40% de umidade.

FIGURA 1 - Lenha seca

FIGURA 2 - Lenha com 40% de úmida de .

As figuras dão uma obvia in dicação do que ocorre quando se-introduz "umidade" num combustível . Se chamarmos de U% a umidade contida em um combustível, todos os seus elementos serão reduzidos

de inclusive o PCS.

Quando se refere a Poder Ca lorífico, temos a distinguir o sü perior (PCS) e o Inferior (PCI) Por PCS entendemos a totalidade do calor liberado na combustão e PCI a mesma quantidade de calor deduzido o calor que o combustí-

Page 28: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

vel usa para vaporizar a sua pro pria umidade, bem como a umidade" resultante da combustão do hidro gênio.

No caso do primeiro retân-gulo, temos que a diferença entre PCS e PCI é de 32 7 kcal/kg. Esta diferença foi absorvida para vapo riz.ar a água resultante da combus tão dos 6,2 % de hidrogênio, isto-é: (9x 6,2)/100 = 0,5 58 kg de água por kg de combustível, o que da: 0,558x586-327 kcal/kg. 0 número 586 representam a quantidade de calor necessária para aquecer a agua, vaporiza-la e superaquece-la. Ou, em outras palavras, é o calor cedido pela condensação da agua contida nos produtos da com-bustão a 16 C.

No segundo retângulo, tere-mos uma adição de agua (40%) e uma redução do teor de hidrogênio para :

Assim sendo, os gases de combustão conterão: 0,40 de agua da umidade adicionada mais (9x3,72)/100=0,335 de água do hidrogênio. TOTAL =0,7 35 kg/kg

Esta é a água contida nos gases , logo , a redução do Poder Calorífico Superior é:

586 x 0,735 = 430 kcal/kg

Mas, com a redução do carbo_ no e do hidrogênio o PCS se tor-nou :

= 3050 kcal/kg e, por conse

guinte, o inferior e: PCI = 3050 - 430 = 2630 kcal/kg.

Este caminho foi seguido por questão de clareza, mas para os casos correntes , poderemos usar a Tabela III que inter-relaciona os PCS e PCI para as mais variadas condições.

TABELA III - Conversão de poder calorífico

PCSS = PCS Seco II - % Hidrogênio / 100 PCSU PCS Úmido U =% Umidade /100 PCIS = PCI Seco Nota: K= 9H (1-U)+U PCIU = PCI Úmido

Conhecidos PCSS e U

PCSU = PCSS (1-U) PCIU = PcSS (1-U)- 586 K PCIS » PCSS - 586 K

Conhecidos PCSU e U

PCSS - PCSU/(1-U) PCIU = PCSU - 5 86 K PCIS = PCSU/1 - U - 586x9xH

Conhecidos PCIU e U

PCSU = PCIU + 586 K PCSS = PCIU/(1-U)1+ |586/(1-U)I K PCIS = (PCIU + 586U)/(1-U)

Conhecidos PCIS o U

PCSU = PCIS (1-U) + 586x9xH(l-U) PCSS = PCIS + 586x9xH PCIU = PCIS (1-U)- 586U

Em combustão a lenha, gera] mente, temos apenas Carbono (C), Nitrogênio (N) , Oxigênio (0) , Hi-drogênio (H) e Enxofre (S) ; conforme pode ser depreendido da Tabela IV que relaciona diversas a-nãlises de lenha.

TABELA IV - Analise de lenha seca - %

Cedro Cipreste Pinho Carvalho MédiaC 48,80 54,9 8 25,55 49,49 51,46

II 6,37 6,54 6,03 6,62 6,40

0 44,46 38,08 41,25 43,74 41,88

s - - - - - N - - - - -

Cinza 0,37 0,4 0 0,12 0,15 0,2

PCS 4667 5 4 84 4944 4823 -1980

PCI 4322 5130 4616 4 665 4 683CO 2 má x

20,2 19,5 20,2 19,9 20,0

Assim sendo, os dados cons

Page 29: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

tantes da Tabela II são os únicos que nos interessarão neste traba-lho.

Para que este trabalho seja mais completo sao dadas, mais as seguintes tabelas: Tabela V - Ar e produtos de combustão; Tabela VI - PCS e PCI; Tabela VII - C02 e Excesso de ar.

TABELA V - Ar e produtos de com-bustão

Kg/Kg Produtos Kg/Kg

02 AR co2 H2O N2 SO2

Carbono

Hidrogênio Enxofre

2, 6 7 8,00

1,00

11,49

34,48 4,31

3,67 9,00 8,02 26,48

3,31

2,00

Estamos saindo da época on de a maior parte das caldeiras in dustriais usava óleo como combus-tível. Por esse motivo, são dadas algumas tabelas quo permitirão,no desenvolver deste trabalho, a com paração dos desempenhos das cal-deiras com lenha c com óleo.

Assim, apresentamos na Tabe_ la VIII, os dados típicos para o óleo.

Nos cálculos de combustão sempre recorremos a quantidade de gases, e então c oportuno oferecer algumas expressões que fornecerão as quantidades de ar, de á-gua, de C02, etc. Declinamos da demonstração destas formulas para não sobrecarregar este trabalho. Em primeiro lugar são dadas as que calculam os pesos, sempre por unidade de peso de combustível

TABELA VI - Variação dos podêres caloríficos com a umidade da lenha.

Umidade % PCS Kcal/Kg

PCI Kcal/Kg

0 50 83 4756

10 4 575 4 221 20 4067 3687

30 3558 3153

40 3050 2619 50 2542 2085 60 2033 1551

70 1525 1016

80 1017 482 90 508 .

TABELA VII - Variação do C02 com o excesso de ar da lenha.

Excesso de ar % C02 •

0 20,2

10 18,4 20 16,8 30 15,5 40 14,4 50 13,4 60 12,6 70 11,8 80 11 ,2 90 10,6 100 10,1

TABELA VIII - Dados típicos óleo .

Carbono 84.00 % PCS 10445 Kcal/Xg

Hidrogênio 12.70 % PCI = 9886 Kcal/KgOxigênio 1.20 % Ar Teórico 14 Kg/KgNitrogênio 1.70 % C02 Máx.: 15,5 2Enxofre 0,40 %

LEGENDA:

C % em peso de Carbono H % em peso de Hidrogênio 0 % em peso de Oxigênio S% em peso de Enxofre N % em peso de Nitrogênio X I de excesso de ar/100 U I de umidade de combustível/100.

Em peso (kg por kg de combustível)

Vapor D'agua WH = 911(1 - U) + U (2 -02)

Gases Secos

(2 -03 )

( 2 -04 )

do

Page 30: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria à Distância

% Água

(2-05)

Em volume (m3N por kg de combustível)

Ar total

Vapor d'água

VH = 11,19H (1-U) +1,244U (2-0 7)

Gases Secos

Gases Totais

(2-09)

(secos sem ex cesso) (2-10)

(secos com ex

cesso)(2-11) (úmido com excesso) " *

Passamos então uma rápida revista em todos os parâmetros que necessitamos, para iniciarmos o estudo propriamente dito da combustão a lenha.

4.3. TEMPERATURA DA COMBUSTÃO

Se queimarmos um quilograma de combustível em uma . fornalha perfeitamente isolada, todo calor originado desta combustão será utilizado para elevar a temperatu ra dos gases de combustão a um valor conhecido como temperatura teórica de combustão (T ).

Como já comentamos, o PCI será o único que contribuirá pa-ra se atingir esta temperatura, pois, o PCS usará parte de sua energia para a transformação da água contida no combustível ou formada pela queima do hidrogênio

Se chamarmos de io a ental-pia dos gases de combustão, ou em linguagem mais pratica, o ca-lor total contido em WG kg de ga ses , teremos:

(3-01) Para

exemplificar, se usarmos a nossa Tabela I teremos:

PCI = 4755 kcal/kg WA = 6,067 kg/kg

Este WA= 6,067 e o teórico sem excesso de ar, e, se fizermos X=0,4, isto é 40% de excesso de ar e U = 0%, os gases totais serão:

Com base na análise dos ga ses, e tabelas das constantes dos gases, obtemos: (ver Tabela IX)

TABELA IX - Entalpia dos gases de combustão de lenha

Temperatura

Tc °C Entalpia

Kcal/Kg 700 195

800 225 900 258

1000 292 1100 319 1200 358 1300 392

0 mesmo cálculo, porem com lenha úmida com 40% de umidade for nece:

Page 31: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

Da tabela VI temos 2620 kcal/kg logo:

Esta entalpia

fornece

Note-se que a umidade bai-xou de 200 C a temperatura dos ga ses,.0-que significa termos menor temperatura na fornalha, isto e , menor transmissão de calor por ra diação também.

Na Tabela X damos as tempe-raturas reóricas de combustão cal-culadas para os diversos teores" de umidade da lenha.

TABELA X - Temperatura teórica de combustão da lenha

u %

PCI

Kcal/Kg WG

Kg/Kg To

°C 0 4756 9,50 1620

10 4221 8,64 1580 20 3687 7,80 1540 30 3153 6,95 1490 40 2620 6,10 1420 50 2085 5,25 1320 60 1551 4,40 1190 70 1016 3,55 990

No caso do óleo, com os da dos da Tabela VIII, e com excesso de ar de 20%, obtemos:

VG= 14,0 x 1,2 + 1 = 17,8

Vemos então que a lenha u-sualmente encontrada nas fornadas tem um enquanto que o óleo tem isto é 430 C a mais de temperatura.

4.4. ABSORÇÃO NA FORNALHA

Nas fornalhas industriais as temperaturas são inferiores á teórica porque sempre ha perdas de calor e absorção de calor pelos tubos ou paredes de água das câmaras de combustão.

Esta absorção de calor varia com a quarta potência da tem-peratura da chama, de modo que se uma chama tem 1000°C e outra tem 1100 C, a diferença da absorção é de 46% a mais. Aí esta a razão da importância que se da à temperatu ra da chama bem como de tirar o má ximo proveito desta absorção ele-vada nas superfícies de aquecimento expostas a radiação na forna--lha.

A absorção em uma fornalha pode ser dada aproximadamente pe-la expressão:

ou, para os casos práticos (t = 220°C):

Onde:

SA = superfície de aquecimento exposta a radiação em m2. Tc = temperatura da saída dos

gases da fornalha °C t = temperatura da parede dos tubos C. HABS = calor absorvido por radiação kcal/h.mz.

Quando esta presente uma certa superfície de aquecimento SA. . na fornalha, sendo a absor-ção de calor dada por HABS, o pe-so total dos gases quando se quei ma WF kg/h de combustível WF.WG,o balanço térmico se obtém como se-gue: WG . WF . io = ic . WG.Wf + HABS

(4-03)

(4-04) ou ainda

(4-05)

Page 32: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria ã Distância

Esta formula fornece a tem peratura de saída Tc, que é obtida por tentativas, pois admite-se um certo Tc c calcula-se HABS e obtêm-se ic. Entra-se na Tabela IX e recalcula-se a temperatura . A Tabela IX foi calculada para a combustão da lenha com 40% de ex-cesso de ar e 40+ de umidade.

Exemplo com apenas duas ten tativas para que este trabalho não se estenda: SA=10.m2 Tc = 1000ºC - (1ª tentativa) WF = 700 kg/h WG=6.1 kg/kg e PCI - 2620 kcal/kg.

Temos:

HABS = 1026840 kcal/h. (formula 4- 02)

ic = = 189 kcal/kg

(formula 4-05)

Com a Tabela IX: Tc= 680°C

2ª tentativa: Tc = 900°C HABS = 733670 kcal/kg

e 258 kcal/kg o

da Tabela IX: Tc = 900 C.

Se reescrevermos a formula (4-05) chamando h-HABS/SA, tere-mos ,

(4-06)

Com auxílio desta fórmula poderemos estabelecer, para diver sos valores de WF/SA, isto e, pa-ra diversos valores da quantidade de combustível por metro quadrado de superfície de aquecimento, as correspondentes temperaturas de combustão.

Assim chegamos ã Tabela XI que foi elaborada mantendo cons-tantes todos valores da fórmula (4-06) variando apenas a relação WF/SA. A primeira coluna da tabela foi obtida multiplicando-se a relação WF/SA pelo PCI e e dado pratico de muita significação pois expressa a carga técnica na forna

lha em kcal/m2.h. Pela tabela pode-se inferir que a temperatura na câmara será tão maior quanto menor a superfície de aquecimento e assim podemos obter a temperatu ra quo quisermos na câmara para se ter o desempenho correto da fornalha.

TABELA XI - Temperatura de combus_ tão da lenha

WF.PCI Kcal/m2.h

WK/S.A Kg/m2-.h

Tc °C

■ 50000 20 685

100000 40 810 200000 80 94 0

300000 3 20 1015 400000 160 1065 500000 200 1120

Para ilustraçãoe compara-ção, foi elaborada a Tabela XII, que é a mesma anterior, porém, ba seada em óleo combustível com 20% de excesso de ar. Os dados das Tabelas XI e XII serão usados quando compararmos os desempenhos das caldeiras a óleo e a lenha.

TABELA XII - Temperatura de bustão de óleo

WF.PCI Kcal/h.m2

Tc °c WF/S./v Kg/m2..h

100000 830 10

200000 980 20 300000 1075 ■ 30 400000 1140 40

500000 1190 50 600000 1220 60

4.5. RENDIMENTO TÉRMICO

Para finalizar os aspectos gerais quenos darão as bases para as discussões das caldeiras quei_

com-

Page 33: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

mando lenha, tocaremos em dois pontos importantes que são o ex-cesso de ar e a umidade nos com-bustíveis, e seus reflexos no rendimento térmico.

Para que não surjam duvidas quanto a validade de se usar rendimento térmico baseado no PCS e no PCI, damos a seguir sua in-ter-relação que rápida e facilmen te nos permite trabalhar com um ou com outro.

0 calor produzido na caldei-ra Ho é a fração utilizável do ca lor desenvolvido na fornalha. Se chamarmos de Hi o calor desenvol-vido na fornalha e R.T o rendimen to térmico teremos:

Ho = Hix (RT/100) (5-01)

Mas o calor desenvolvido é dado pelo produto da quantidade de combustível queimando (WF) , pe_ lo poder calorífico. Como temos PCS e PCI, teremos um calor desen volvido superior (bruto) Hib, e um calor desenvolvido inferior (líquido) Hil:

Hil = PCI x WF (5-02) Hib =PCS x WF (5-03)

Como o calor produzido Ho depende de RT e de Hi, teremos:

Ho = RTSx PCS x WF/100 (5-04)

ou

Ho = RTI x PCI x WF/100 (5-05)

Igualando e simplificando (5-04) e (5-05):

RTI x PCI = RTS x PCS (5-06)

Por conseguinte, os "rendi-mentos térmicos multiplicados pe_ los respectivos podêres calorífi-cos são constantes; com isso tere_ mos:

(5-07)

Por questão de preferência do autor deste trabalho, os cálcu los serão executados no PCS, os resultados convertidos pela rela-ção acima.

Para se calcular o rendimen to térmico temos dois principais procedimentos: o estimativo e o real. Chamamos de estimativo aque le obtido calculando-se as perdas na chaminé e atribuindo-se valores as perdas de cinzas, radiação, etc. O real é obtido pelas medi-ções do consumo de combustível e do calor produzido que são os úni_ cos elementos reais de uma caldei ra.

a) Rendimento Térmico Estimativo:

Para tal deverão ser conhe-cidos ou estimados os seguintes e lementos: . Temperatura de saída dos ga-ses - Tg°C . Temperatura ambiente - taºC . Percentagem de C02 . Poder calorífico PCS ou PCI kcal/kg . Umidade:do

combustível - % . Ar teórico de combustão - WA kg/k . Produção da caldeira-Ho kcal/h.

As perdas na chaminé sao calculadas pelas expressões:

PGS = WGS x 0,24(Tg - ta)kcal/kg (5-08) PH = MIx (565 + 0,48 Tg)kcal/kg (5-09)

As perdas totais são a soma das perdas acima. Além destas per das temos radiação com cerca . de 2,5% e uma margem do fabricante de 1,51.

Para simplificar os cálcu-los apresentamos algumas tabelas que dão os valores calculados pa. ra os casos da pratica.

Page 34: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distancia

TABELA XIII - Rendimento Térmico PCS (lenha)

Tg

Gas

% Umidade na Lenha

°c 0 10 20 ■30 40 50 60 70 80

200 81,4 80,0 78,1 75,8 72,7 68,4 61,9 51,1 29,4

225 30,2 78,7 76,9 74,5 71,4 67,0 60,4 49,3 27,3 250 79,0 77,5 75, 7 73,3 70,0 65,6 58,8 47,6 25,2 275 77,8 76,3 74,4 72,0 68,7 64 ,1 57,3 45,9 23,0 300 76,6 75,1 73,2 7 0,7 6 7,4 62,7 55,7 44,1 20,9 325 75,5 73,9 71,9 69,4 66,0 61,3 54,2 42,4 18,8 350 74,3 72,7 70,7 68,1 64,7 59,9 52,7 40,7 16,7

Conhecidos TRS.

Exemplo:

Pela Tabela VII obtemos x 50%. RST=

RTI -

TABELA XIV - Rendimento Térmico: (Óleo)

Excesso Ar = 20% Perdas Div = 4%

Temperatura

°C

Rendimento % PCS

Rendimento

% PCI Kg/vapor

Kg/óleo

200 82,1 86,8 14,13

225 •81,1 85,6 13,95 250 80,0 84,5 13,77 275 78,9 83,3 13,58 300 77,8 82,2 13,39 325 76,7 81,0 13,20 350 75,6 79,9 13,01 375 74,5 78,7 12,82 •400 73,4 j 77,6 12,62

Nota: RTI

Nota: 0,71 é o decréscimo para 10% mais que os 401 de excesso de ar usado para elaborar a tabela.

Conhecidos: CO2 e Tg obtemos RT.

Exemplo: Tg = 325°C e CO2=12,71 donde X =20% (tabela XV)

Então: RTI = 81.00 RTS = 76,71

TABELA XV - Variação das perdas e do C02 com o excesso de ar (oleo)

Excesso Ar-% CO2% Perdas % (PCS) (250°C)

0 15,5 14,6

10 13,9 15,3 20 12,7 16,0 30 11,7 16,7 40 10,8 17,4 50 10,0 18,1 60 9,4 18,9 70 8,9 19,6 80 8,3 20,3 90 7,9 21,0 100 7,5 21,7

temos

ta - 27ºC

Page 35: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

Conhecendo C02 obtemos perdas e o excesso de ar. Exemplo: Pela tabela:

Perdas

X

TABELA XVI - Perdas de umidade e de excesso de Ar-Lenha

Perdas de Unidade p/ Qualquer Excesso Ar

Perdas de Excesso Para Umidade = 40 %

U% Perdas % X% Perdas %

0 7,5 0 6,8 -

10 9,0 10 7,5 20 18,9 20 8,1 30 13,3 30 8,8

. 40 16,5 40 9,4 50 21,0 50 10,0 60 27,7 60 10,7 70 39,0 70 11,3 80 61,4 80 12,0 87 97,7 90 12,6

100 13,2

Exemplo: Umidade U=40% (com Tg= 250°C) Excesso de ar X = 50% Perdas pela umidade Perdas pelo excesso

Perdas totais

Esta tabela tem a intenção de salientar a variação das per-das de umidade e do excesso de ar em caldeiras queimando lenha.

Quando a Tabela XIII é uti-lizada para outro excesso de ar que o de 40%, a Tabela XVI forne-ce a correção para outro excesso de ar.

Exemplo: Excesso de ar real: X= 50% Excesso pela tabela XIII: X = 40% Perdas com X = 50% = 10,1 Perdas com X = 40% = Variação +

No exemplo da Tabela XIII es te valor foi usado para reduzir o~ R.T.

b) Rendimento Térmico Real:

Conforme vimos anteriormen-te pela formula (5-01),a produção da caldeira é igual a quantidade de vapor produzido e multiplicado pela diferença entre o calor do vapor e da água de alimentação,en tão :

Ho = E x dl kcal/h (5-08)

Chamando de Iv o calor do vapor que e obtido das tabelas de vapor, e da Ia o calor da água de alimentação, teremos:

dl = Iv - Ia kcal/kg (5-09)

Lembrando que de acordo com (5-03) o calor desenvolvido é o produto da quantidade de combustí vel WF pelo seu PCS, teremos com-binando as;formulas:

donde se tira:

(5-11) ou

ainda:

(5-12)

Assim o RTS é facilmente ob tido pela fórmula (5-12) conhecen do-se: E = Evaporação - kg/h Iv = Calor do vapor - kcal/kg Ia = Calor de água - kcal/kg PCS=Poder calorífico superior kcal/kg.

Seja uma caldeira onde ao medirmos a quantidade de água gas ta (que é a mesma que a evapora--da) obtivemos 6000 kg/h e queima-mos 1700 kg/h de combustível com

as

Page 36: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

um PCI = 2620 kg/kg; a pressão de vapor e de 8 kg/cm e a temperatu ra da água 60 C.

Teremos então:

E - 6000 . WF = 1700 PCI = 2620 . Iv = 662 kcal/kg Ia = 60 kcal/kg ( = temperatura de 60°C)

A Tabela XVII foi elaborada mantendo-se constante a relação

para a pressão de 8 kg/cm: água de 60°C e PCS = 3050 kcal/h e lenha com 401 de umidade.

TABELA XVII - Kg de Vapor por Kg de Lenha.

Tg % do Umidade da Lenha

°C 0 10 20 30 40 50 6 0 70

200

225

250

275

300

325

350

G,82 6,72 6,62 6,52 6,4 2. 6,32 6,22

6,0.

3

5,94

5,85

5,75

6,66

5,57

5,24

5,15

5,07

4,9 9

4,90

4,82

4,7 4

4,45

4,37

4,30

4,22

4,15

4,07

3,99

3,6 6

3,59

3,52

3,45

3,39

3,32

3,25

2,87

2, 81

2,75

2,69

2,63

2,57

2,51

2,08

2,02

1,97

1,92

1,87

1,82

1,77

1,28 1,24 1,20 1,15 1,11 1,07 1,02

Nota: Pressão: 8,0 Kg/cm2 Temp. água: 60°C Excesso ar: 401 Perdas div. A%

Trata-se de um processo sim ples de se obter o RTS, uma vez que se conhece a temperatura dos gases, ou a relação entre a evapo_ ração e o consumo de lenha WF.

Note-se que o RTS obtido já esta corrigido com 4% de perdas e se aplica com 40% de excesso de ar.

A figura 3 ilustra o balan ço térmico que conduziu as formu-las acima.

Entrando: Combustível - WF x PCS Água - E x Iâ

Saindo: Vapor -

Gases -

FIGURA 3 - Balanço Térmico

- 81,1 %

Page 37: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

4.6. CONVERSÃO DE COMBUSTÍVEL

Ja podemos começar as dis_ cussões praticas a que se propõe este trabalho. Para tornar claro o que ocorre numa caldeira quei-mando óleo, quando é convertido para queimar lenha, passaremos a um exemplo prático de uma caldei-ra de 4000 kg/h. Escolhemos este tamanho por ser este trabalho des tinado a unidades industriais, e este é o tamanho mediano.

Dados Gerais: Evaporação: Pressão de trabalho: Temperatura do vapor: Temperatura da:lenha: Temperatura ambiente: Problema:

Converter para lenha.

Trata-se de uma caldeira , com fornalha circular interna com diâmetro de aproximadamente 700mm e comprimento 3.400 mm, o que dá uma SA. da fornalha de 7,5 m2 on-, de se realiza a combustão, com um volume de 1,31 m3.

A quantidade de calor desen volvida e de: Hil = PCI.WF - 9886 x 292,2 = 288900 kcal/h

A relação WF/SA dá 39 kg/cm2h de combustível, por superfície de aquecimento, e isto fornece uma temperatura de combustão de cerca de 1140 C.

Levando este valor na expres^ são (4-02) , teremos a absorção na fornalha: HABS = 157100 x 7,5 - 1778250 kcal/h.

O calor produzido na caldei_ ra é: Ho = 4000 (662 - 60) - 240800 kcal/h.

Como podemos observar, cer ca de 70°o do calor produzido na caldeira e absorvido na fornalha.

Sc pretendemos queimar a lenha com PCS= 3050 kcal/kg, 40% de umidade e 401 de excesso de ar, adotando como 70% o RTS, teremos para o consumo de lenha: (5-11)

Se a lenha tiver um peso de

o volume da lenha será:

Usualmente, limitamos a li beração na fornalha, isto ê, o calor desenvolvido por unidade de volume em torno de 300000 kcal/m3h

No nosso caso teremos ne-cessidade de um volume de:

Como podemos observar, a for-nalha da caldeira a óleo tem um volume de 1/10 do requerido.

0 volume por si só limitara a capacidade da caldeira. Por esta razão recorre-se normalmente ao que chamamos de jante fornalha ou pré-fornalha, que nada mais é do que acrescentar uma câmara de combustão que atenda as condições de combustão da lenha.

Admitindo-se que o problema assim seja resolvido, ainda tere-mos que considerar outros aspectos ligados ao escoamento dos gases, seu volume, perda de pressão, etc.

No caso do óleo a quantida-de de gases ê:

E para a lenha:

Ou seja, teremos uma vazão de gases 33% maior,o que repre-senta (1,33)2=1,76 vezes a resis tência dos gases na tiragem.

Em geral as caldeiras a 5-leo funcionam com tiragem forçada

Caldeira a óleo:

Consumo de combustível Temperatura dos gases: R T . S . * P. CS. /PCI: 10445/9886 Excesso de ar: C02

Page 38: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria ã Distância

c uma vez feita a conversão para a lenha ha um aumento considerável de resistência e recorra-se a um ventilador para a tiragem.

Por esta razão c comum que se faça a conversão para a lenha e se obtenha menor capacidade de produção. Ao se reduzir a ca-pacidade da caldeira, estaremos praticamente mantendo as velocida. des dos gases nas diversas passa-gens. Em geral limitamos estas velocidades em torno de 15 m/s.

Admitamos uma caldeira a óleo operando com as seguintes características: Pressão: Temperatura de água: Temperatura dos gases:

Pela Tabela XIV ternos 13,77 kg de vapor por kg de óleo.Também admitamos que iremos queimar, em substituição ao óleo, lenha com 40% de excesso de ar, com os gases a 250 C.

Pela Tabela XVII teremos 3,52 kg vapor por kg de lenha. U-sando estes dois resultados e lem brando que o m3 da lenha pesa cer ca de 500 kg, teremos:

A Tabela XVIII foi computada

com base na fórmula (6-01) para facilitar os cálculos, e usa. dos apenas números inteiros.

TABELA XVIII - Economia Lenha x Óleo

Lenha Preços óleo Cr$/Kg

Cr$/m3 20 21 22 23 24 25 2 6 27 28 29 30

400 84 85 86 86 87 87 88 88 89 89 90

500 80 81 82 83 84 84 85 86 86 87 87 600 76 77 78 79 80 81 82 82 83 84 84 700 72 74 75 76 77 78 79 30 80 81 82 800 68 70 71 72 73 75 75 76 77 78 79 900 64 66 67 69 70 71 72 73 74 75 76 1000 60 62 64 65 67 68 69 71 72 73 73

No exemplo acima, se a lenha custar Cr$ 600,00 m3 e o óleo Cr$ 28,00/kg, teremos pela formula (6-01) :

Pela tabela obtemos 83%, va

lor arredondado. Tudo indica que ha um desem-

penho de preços de combustíveis , pois, quem tem uma fatura mensal: de Cr$ 5.000.000,00, isto e, opera uma caldeira a óleo queimando 300 kg/h durante 2 4 horas por dia, e 28 dias por mês, com óleo a Cr$ 24,80/kg, terá uma economia mensal de Cr$ 4.150.000,00, isto e, paga a caldeira a lenha dentro de poucos meses.

Para ajudar em estimativas rápidas, elaboramos a Tabela XIX que indica a percentagem de custo que se teria se todos os KW consumidos nas caldeiras a lenha, fossem convertidos energeticamen-te em lenha.

TABELA XIX - Comparação KWh x Lenha

Lenha Preços do KWh Cr$/KWh

Cr$/m3 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5.,0

400 67 78 83 87 89 90 91 92 93

500 5 9 73 79 83 86 88 89 91 91600 51 67 75 80 83 86 87 89 90

700 43 62 71 77 81 83 85 87 88

800 35 57 67 74 78 81 900 27 51 63 71 75 79

83

81

85

83

87 85

1000 19 46 59 67 73 77 79 82 83

Nesta tabela, com o KWH a Cr$ 2,00 e a lenha a Cr$ 600,00/m3 a economia e de 75% do total da energia elétrica. Este ó um dado importante na avaliação comparati_ va de duas caldeiras.

Foi calculada a tabela tendo em vista:

1m3 lenha = 3050 kcal/kg 500 = =1525000 kcal 1

KWH = 860 kcal.

Adotando-se como 701 o RTS da caldeira, teremos:

1m3 lenha - 1525000 x 0,7 = 1067500 kcal

Estes valores levam a fórmu la:

Page 39: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

% ECON = 100 - Custo _lenha 12,41 Custo KWH

(6-02)

FORNALHAS E CALDEIRAS A LENHA

5. FORNALHAS

Fornalha é o lugar onde o-corre a queima do combustível, ou seja, onde a energia química po-tencial do combustível transforma se em energia térmica (calor). É o lugar onde o combustível em con tato com uma quantidade mínima de ar em excesso é queimado, havendo uma pequena perda de calor ao am-biente. O volume da fornalha e um dos principais requisitos, pois o calor liberado deve ser incorpo rado aos gases antes de atingir o secador. Não devem entrar fagu-lhas nem labaredas dentro do seca. dor e todos os voláteis devem ser queimados antes de chegar a ele.

0 tamanho e a forma da for-nalha dependem do tipo de combus-tível, do dispositivo usado para queima-lo e da quantidade de ca-lor que deve ser liberada num da-do intervalo de tempo. A constru-ção de uma fornalha é baseada nos 3T da combustão: temperatura, tur bulência e tempo.

O volume da fornalha depen de da taxa de liberação de calor. Esta taxa é função do tipo de for_ nalha, do comprimento e temperatu ra da chama, da quantidade de ex-cesso de ar e da turbulência. Em geral a taxa de liberação de calor varia entre 100.000 a 500.000 Kcal/h.m3 (120 a 580 KW/m3).

Quanto a natureza dos com-bustíveis as fornalhas sao classi

ficadas em: . fornalhas para combustíveis

sólidos; . fornalhas para combustí_

veis sólidos pulverizados; . fornalhas para combustí-

veis líquidos; . fornalhas para combustí-

veis gasosos.

Apenas a primeira será dis-cutida neste trabalho, pois e a mais usada na secagem de grãos.

5.1. FORNALHAS PARA COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS

5.1.1. Fornalha sem Trocador Calor

A queima da lenha em toras apresenta baixa eficiência de com bustão devido ã dificuldade de contato íntimo entre o ar e a to-ra, pois a combustão é um fenôme-no de superfície. Essa deficiên-cia pode ser sanada picando a le_ nha em pedaços , contudo aumenta-se o custo operacional.

Um tipo de fornalha adequa-do para queimas de lenha em peda-ços está esquematizado nas -Figu-ras 6 e 7.

Fonte: Andrade et alii (1)

de

Page 40: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura V2

A. CAMARA DE COMBUSTÃO B- PORTA DO ACESSO P/CARREGAMENTO C- ENTRADA DE AR D- O R E L H A

E- PORTA DE LIMPEZA DAS CINZAS F-MISTURADOR

TANGENCIAL (QUEBRA- FAGULHA) 8-CAMARA DE

COMBUSTÃO DOS VOLÁTEIS

FIGURA 6 - Esquema de uma fornalha para queima de combustíveis sólidos

FIGURA 7 - Fornalha para queima de combustíveis sólidos , vista em cor te e perspectiva.

Page 41: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria à Distância

As fornalhas de grelhas ho rizontais (Figura 6) nao devem ter mais de 2 m de profundidade (comprimento) c devem ter uma por_ ta de carregamento para cada me-tro de largura.

A taxa de combustão, ou se-ja, a quantidade de combustível queimado por unidade de tempo e por unidade de superfície da for-nalha, varia entre 80 a 150 kg/h.m2 (o,l a 0,2 KW/m3).

Uma fornalha não deve ter ar em demasia nem em falta. De ma neira pratica para saber se a quantidade de ar e suficiente pro cede-se do seguinte modo: verifi-car constantemente a chama e as

cinzas; se junto as cinzas exis-tir muito carvão indica falta de ar devido ã má queima; se a quei-ma do combustível for muito rápi-da indica grande excesso de ar.

As fornalhas para combustí-veis sólidos geralmente produzem fagulhas que são carregadas pelo ar e podem causar incêndios no secador. Para apagar essas fagu-lhas e tira-las do ar são cons-truídos os misturadores tangen-ciais ou ciclones (Figura 8), nos quais o ar entre tangencialmente as paredes internas.

FIGURA 8 - Ciclone ou misturador tangencial, para apagar as fagulhas

Misturador tangencial (quebra-

Page 42: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

5.1.1,1. Dimensionamento

Existe um método teórico , bastante complexo e outro prático que poderão ser usados no dimen-sionamento das fornalhas. Neste trabalho será usado o método pra-tico.

0 cálculo da superfície de uma grelha pode ser baseado em:

de combustão combustão (kg/h.m2)

b) No consumo de ar

(Eq. 32)

(Eq. 33)

= peso do combustível a ser queimado (kg/h) =

superfície total da grelha

taxa de combustão. lenha, palhas, bagaço de cana, para fornalhas com grelha plana, carga manual e ar forçado 150 a 300

(kg/h.m2) carvão, para fornalhas com grelha plana, carga manual e ar forçado 200 a 300

(kg/h.m2) S = superfície livre da grelha, ou seja, superfície dos va zios por onde passa o ar para a"combustão (m2) v = velocidade de escoamento do ar (m/s). Na prática v=0,75 a 1,6 m/s nas fornalhas com tiragem mecânica (com venti-ladores). Qa =volume de ar necessário a Qa queima de 1 kg de combustível (Nm3/kg) s = varia conforme o tipo de grelha s = 0,2 a 0,5 para grelha com

carga manual s = 0,1 a 0,3 para grelha com carga mecânica

k= taxa de liberação de calor - 150.000 a 200.000 para lenha, palhas, bagaço de cana e carvão (Kcal/h.m3) (630.000 a 84 0.000 KJ/h.m3) PCI PODER calorífico inferior (Quadro 2) V=volume da fornalha (m3)

Um exemplo ilustra o cálcu-lo de uma fornalha a lenha com carga manual e grelha plana.

1. Características do ventilador utilizado Fluxo, 220 m3/min Pressão estática = 170 nm c.a.

2. Acréscimo máximo de temperatu ra esperado = 30°C

3. Temperatura média

ambiente

4.Quantidade de calor necessário Tomando a densidade média do ar entre 2 0 e 80 C, segundo Kreith (11) ,

kg/m3

5. Supondo que: U. =22 b.U % 1 do produto a ser secado

Uf= 13 b.u.% - Umidade final.

Logo a quantidade de água a evaporar por kg de produto umi

do será:

qagua

= 0,1136

6. Quantidade máxima de produto a ■ ■■ secar por hora:

a) Na taxa taxa de Tc = m/h (Eq. 30)

necessário (Eq. .31)

c) Na câmara de combustão

onde m

T =

Umidade inicial

Page 43: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria A Distância

a) Quantidade de água a evapo rar por hora, supondo um rendimento

de secagem de

7. Cálculo da superfície da gre lha através da taxa de combus-tão admitida. Quantidade de le nha que o secador consome por-hora. m.

Taxa de combustão admitida pa ra grelha plana, carga manual-" e ar forçado

T * 200 kg/h.m2

A superfície total da gre-lha será:

7a. Calculo da superfície da gre_

lha através do consumo de ar necessário.

7á.1. Calculo do volume de ar ne_ cessário para a queima de 1

kg de lenha (Nm3/kg)

supondo a composição da lenha se gundo Andrade (1) onde:

excesso de ar para combustível solido e carga manual

Supondo

V = 2 m/s = 0,0281 m2

onde 0,2 ê a razão entre Se/s, as. sumido.

8. Cãlculo_do volume de câmara de combustão

Este ê o volume total da fornalha.

Quando esta possuirá câ_

Page 44: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de; Energia para a Agricultura

mara para queima de lenha e tam bem dos voláteis , o volume deve ser dividido conforme as dimen-sões de cada parte.

0 redimensionamento da for-nalha pelas câmaras é feito por tentativa fixando-se uma das di-mensões. Deve-se considerar que a área da grelha e o volume foram calculados anteriormente e não podem ser muito diferentes (va riação máxima em torno de 10%).

5.1.2. Fornalha com Trocador de Calor

A queima de combustível na fornalha também define o tipo de secador. Nos secadores de fogo di reto os gases de combustão se mis turam ao ar de secagem e sao lan çados dentro da câmara de secagem (Figuras 6 e 7). Nas de fogo indi reto o ar de secagem se aquece em contato com superfícies_aqueci das pelos gases de combustão quê" são lançados na atmosfera (Fig.9)

FIGURA 9 - Esquema de uma fornalha de fogo indireto

0 secador de fogo direto aproveita melhor a energia produ-zida pelo combustível. No secador de fogo indireto ha muita energia perdida nos gases de combustão; a eficiência térmica deste secador é menor que no fogo direto.

Alguns produtos agrícolas como o cacau e o café despolpado absorvem o gosto dos gases de com-bustão depreciando a qualidade. Es tes dois produtos só podem ser

secados com fogo indireto. 0 fei_ jão pode absorver gosto se o ar de secagem tiver muito carregado de gases (fumaça) ; neste caso de_ ve-se usar fogo indireto.

Page 45: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria à Distância

6. CALDEIRA A LENHA*

Finalmente, apesar de pas sarmos superficialmente, pelas di versas etapas, com rigor matemáti-co, tentando apenas rumos práticos, passaremos ao estudo das caldeiras queimando lenha.

6.1. A COMBUSTÃO DA LENHA

Em geral a lenha tem a se guinte analise aproximada:

Material Volátil 70 a 75 I Carbono Fixo 20 a 27 % Cinzas 0,5 a 2 %

A queima da lenha se dá em três estágios :

0 primeiro e da secagem que ocorre de fora para dentro e que requer certo tempo, sendo maior o tempo para os pedaços maiores.

0 segundo e o da destilação e queima dos voláteis. Convém aqui salientar que a lenha, em virtude do seu alto teor em material vo-látil, produz chama longa.

0 terceiro e ultimo estágio é o da queima do carbono fixo que necessita de 400 a 550 C de tem-peratura para queimar ou a chama se extingue se a temperatura for inferior.

é obvio que analisamos ape-nas um pedaço de madeira úmido , mas numa fornalha temos as três fases ocorrendo simultaneamente , pois a lenha é continuamente ali-mentada e há interferência do va-por d'água que se desprende no primeiro estágio com a destilação do segundo e assim por diante.

Deve ser analisado o caso de um tronco grande e um tronco de pequeno tamanho. Numa fornalha alimentada manualmente, o foguis-ta alimenta a caldeira quando há

demanda de vapor, porem, se os troncos são grandes, a sua ação reguladora de produção somente o-corre quando talvez já não haja demanda de vapor e então temos grandes flutuações de carga. Deve se sempre que possivel, evitar troncos de grande diâmetro o que, aliás, é também recomendável para a proteção de soleira de forna-lha.

Se nos reportarmos a formu-la (4-06) e usarmos a temperatura da inflamação do carbono fixo co-mo sendo de 500 C, teremos:

T = 500°C e ic=132 kcal/kg, logo

e

SA

=6,6 kg/m2.h

min = 6,6 kg/m2.h, isto é, com

uma fornalha onde apenas 6,6 kg/h de combustível são queimados por metro quadrado de superfície de aquecimento, teremos o risco de extinção da chama e precisamos de um queimador auxiliar para entre-ter a chama.

Razões econômicas de cons-trução das caldeiras não permitem que trabalhemos com valores tão baixos, pois conduzirão a forna-lhas muito grandes.

Devemos ter em mente que se caminharmos para o oposto, isto é, tivermos uma fornalha onde WF/SA é de mais de 200 kg/m2, (ver Tabe la XI) que poderiam atingir o pon to de fusão das cinzas com gravís_ simas conseqüências.

As cascas das árvores podem influenciar no abaixamento do ponto de fusão das cinzas e então, maiores cuidados devem ser tomados para a seleção_da fornalha. A título de ilustração informamos que as cinzas variam com as espé-cies, havendo nas mesmas predomí

Fonte: Diniz (7).

Page 46: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

nio de oxido de sódio ou de cal cio e variável grau de sílica. Seus pontos de fusão vão de 1200 C a 1450 C, dependendo da procedência .

A lenha pode ser queimada em pilhas, em leito fino quando picada, em suspensão, ou em forna lhas ciclônicas.

Para cada um dos casos exis tem vantagens, desvantagens e li-mitações.

A introdução do ar pré-aque cido é de muita vantagem para a secagem do primeiro estagio e per mite elevar a taxa de combustão 7 0 ar não deve exceder 200 C de temperatura para não deformar as grelhas que ele ajuda a resfriar. 0 ar quente permite queimar, nas mesmas grelhas, até mais 25% da capacidade nominal.

Cumpre salientar que é ex-tremamente difícil queimar lenha em toras com excesso de ar inferior a 40%.

Quanto mais dividido o com-bustível maior se torna a sua su-perfície de contacto com o ar. 0 oposto é também verdadeiro, é co-mo se queimássemos óleo combustí-vel em blocos sólidos, como o ca-so da queima de pneus.

Para garantir a turbulência precisamos mais ar e mais longas ou altas câmaras de combustão pa-ra que exista mais tempo para se completar a combustão.

Uma câmara de combustão bem dimensionada reduz considerável-mente a elutriação de partículas não-queimadas , Novamente voltamos ao adágio dos 3T.

No caso do nosso exemplo an terior, admitamos que a temperatu ra dos gases da fornalha seja de 900 C, então, aqueles 5910 kg/h de gases darão 9,2 m3, de gases.Pa ra que exista tempo de residência de 2 segundos na câmara de combus_ tão, deveríamos ter: Admitindo U ma fornalha com 3m2 de grelha, e por conseguinte de seção transver sal, teremos uma velocidade de propagação dos gases de 9,2/3 3,07 m/s. Para um tempo de 2 se-gundos, a altura da câmara será: 2x3,07 = 6,13 metros.

Temos aí dois parâmetros a mais quo determinarão se a combus tao se processara integralmente na câmara ou se se alongara pelos tubos de convecção ou mesmo se ex tinguirá.

Os gases combustíveis depen dera de sua percentagem com rela-ção ao ar para se ter maior ou me nor velocidade de propagação da chama. O hidrogênio, por exemplo, na propagação de cerca de 40% no ar, tem sua velocidade máxima de propagação da chama que é de 5,0 m/s, porém, com 70% já cai para 0,2 m/s e com 61 tem apenas 0,15 m/s. Em geral, nas proporções usuais de combustão, os gases como etano, metano, etileno, etc., têm uma velocidade máxima em torno de 1,0 m/s e mínimo de 0,2 m/s.

6.2. CÂMARAS DE COMBUSTÃO

é de primordial importância a dosagem certa de ar na combustão .

FIGURA 4 Grelha

FIGURA 5 - Grelha

As figuras 4 e 5 indicam,

Page 47: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

com as respectivas datas, as gre lhas que de acordo com o catalogo" da coleção de Engenharia Mecânica do Museu de Ciência de Londres en fatiza:

"Grelhas consistem de um arranjo de barras de ferro fundi-do. Consideráveis esforços têm si do feitos para melhorar a combus-" tão aumentando o número e diminuin do os espaços entre as barras, de~ tal sorte a proporcionar uma cor-rente de ar mais difusa e fina".

Temos então aí, o nascedouro das grelhas de ferro fundido para as câmaras de combustão, que conforme o Museu já enfatizou,têm sido alvo de constantes tentativas de melhora.

Estas grelhas existem em di versos tamanhos e formas. Apre-sentam vantagens quanto a sua fá cil substituição. Quebram-se é empenam facilmente. Sua única re-frigeração possível é o ar que pe_ netra de baixo para cima para a-tingir o leito da lenha.

Sofre grandes deformações principalmente quando se quer ex tinguir o fogo e então se veda o ar para cortar a combustão. Sem ar para a sua refrigeração e as vezes com um cinzeiro baixo onde brasas estão ardendo ainda, en-tram em inevitável colapso. .- Em certos casos arremessam sobre as grelhas, isto é, sobre a lenha, a gua para apagar o fogo e esta á-gua atinge as barras quentes, con seqüentemente, temos as fraturas.

Para as lenhas em toras , le_ nha metrada, não temos muita esco lha se não o uso de grelhas. Tornou-se então necessário que se criasse uma grelha que fosse sufi_ cientemente forte para resistir o impacto da lenha, e ao mesmo tempo que não sofresse com as se-veras condições de variações de temperatura.

Foi assim criada e patentea_ da a grelha constituída de tubos de agua pertencente ao circuito de circulação natural da caldeira.

Estas grelhas são __mantidas a uma temperatura igual ã de satu ração da agua mais cerca de 50 C, o que lhes garante total imunida-

de as variações de temperatura. Sendo construídas de tubos de pa rede grossa apresentam grande re-sistência mecânica ao impacto e ao desgaste.

Salientamos que o impacto não é tão grande quanto se imagi na pois a lenha é em geral arre-messada sobre um leito de lenha já queimando o que amortece o choque.

A figura 6 mostra estas gre lhas .

FIGURA 6 - Grelha tubular refrige rada a agua.

Estas são as duas maneiras- usuais de se queimar lenha em to-ras .

Como dissemos no início,uma caldeira é tão boa quanto a sua fornalha, de modo que uma vez con seguida uma combustão satisfató-ria, o restante da caldeira se comporta como uma caldeira conven cional.

•Reiteramos nossa recomenda-ção quanto ã queima de lenha fina pois os troncos grandes apresentam dificuldades no controle de produção da caldeira e no excesso de ar.

Tem sido discutido recente-mente a introdução de pisadores

CINZAS

Page 48: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

de lenha como u t i l i z a d o exaustiva mente nas fábricas d e c e l u l o s e .

Como d e s d e o i n i c i o f r i s a mos que nos ate ríamos às unida des indutriais, damo s apenas a indicação de que a lenha picada pode ser queimada em pilha, em fornalhas c e l u l a r e s , conforme a figura 7.

FIGURA 7 - Célula refratária Queima em pilha.

A figura 8 mostra uma forna lha interna de uma caldeira fogo-tubular.

A figura 9 mostra as gre-lhas instaladas em uma caldeira tipo locomotiva.

FIGURA 9 - Grelha plana em caldei-ra tipo locomotiva.

A figura 10 mostra uma cal-deira chamada M.H. , multitubular horizontal.

FIGURA 10 - Grelha plana em forna lha externa. Caldeira M.H.

Também usamos para pequenas capacidades os chamados alimenta-dores "Under-Feed" , que não são outra coisa que a queima em pi-lha, porem, o combustível caminha de dentro para fora da pilha e não como no caso anterior. A figu ra 11 indica o "Under-Feed".

FIGURA 8 - Grelha plana em forna lha interna.

Page 49: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria à Distância

FIGURA 11 - Sistema 'Under-Feed A = Ar; F= combustível; G = gases

Alem destes métodos podemos ainda ter a queima em suspensão , em grelhas viajantes, em fornalhas ciclônicas, em leito fluidizado.

No caso_das células da figu-ra 7, a remoção das cinzas é fei-ta com paradas da operação. Estas fornalhas têm uma excelente distribuição de ar que adequadamente supre as necessidades de ar nos diversos estágios de combustão. A alimentação é feita por cima.

A câmara "Under-Feed" ali-menta por rosca sem fim ou por êm bolos, a lenha picada, e a cinza-cai lateralmente.

As caldeiras fogotubulares, não comportam fornalhas internas com as dimensões requeridas pela combustão da lenha. Por esta ra-zão, para as caldeiras com capaci dade acima de 4000 kg/h as forna-lhas são localizadas externamente.

A razão de não comportarem estas fornalhas internas é de ca ráter construtivo e econômico, pois a caldeira fogotubular somen te pode ter maior capacidade quan do se aumenta o seu diâmetro. Como as expessuras são proporcionais ao diâmetro, acabaremos tendo chapas muito grossas e diâmetros exa gerados.

Quando a faixa excede as 4 t/h de vapor, já se torna mais econômico ter-se uma fornalha externa, e as considerações do dimensionamento e seleção ate aqui apresentadas prevalecem para estas fornalhas.

6.3. CALDEIRAS

Finalmente passamos ã des crição dos tipos usuais de caldei ras a lenha, comentado suas carac terísticas, vantagens e limitações .

Para que a descrição . das caldeiras seja mais geral, deixa-remos de fazer distinção quanto à lenha picada, em toras, aparas ou serragem, e comentaremos os pon-tos que merecem atenção especial.

Existem duas grandes famí-lias de caldeiras: Fogotubulares (FT) Aquatubulares (AT)

Estas caldeiras existiam com características bem-definidas, mas grandes modificações e melho-ramentos foram introduzidos de tal sorte a torna-las sofisticadas e em alguns casos houve uma mistura das duas.

Por definição sao caldeiras fogotubulares, aquelas cujos tubos conduzem o_fogo e/ou os gases de combustão. Melhor dizen do, a maior temperatura na trans-missão do calor esta "dentro dos tubos".

Ja as aquatubulares, têm o lado quente por fora dos tubos e no seu interior temos água, va por ou sua mistura.

6.3.1. Caldeiras Fogotubulares (FT)

Estas caldeiras podem ser verticais ou horizontais. Podem ter fornalha interna (Fl) ou ex-terna (FE) .

6.3.1.1. Fogotubulares verticias (FTV)

A Figura 12 mostra uma cal-deira FTV com fornalha interna Consta de uma câmara de combustão interna com grelha e uma passa-gem convectiva.

Page 50: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

FIGURA 12 - FTV - Fl - 2P FIGURA 14 - FTV - Fl - 3P

A figura 13 mostra a mesma caldeira anterior, com fornalha externa.

FIGURA 13 - FTV - FE - 2P

Usualmente designamos como passagem as regiões onde ha varia ção brusca de velocidade dos ga-ses , ou de direção, ou mesmo dis-tinguindo radiação de convecção . Assim é que chamamos as caldeiras anteriores de duas passagens (2P).

A caldeira da figura 14 in dica uma fogotubular vertical (FTV) de 3 passagens (3P), dotada de fornalha interna (Fl).

Estas caldeiras em geral tra balham com tiragem natural pois a~ zona de convecção é curta e apre-senta pouca resistência ao fluxo dos gases.

Existe um recurso muito co-mum usado para melhorar a transfe-rência de calor em caldeiras fogo tubulares que é provocar turbulen cia no escoamento dos gases. As-sim é que alguns fabricantes ins-talam chapas retorcidas dentro de um trecho do tubo.

Com isso, ha uma melhora na transferência do calor e um au-mento na resistência ao escoamen-to dos gases.

Alem disso, ha aumento da erosão e deposição das partículas de sólidos arrastadas com os ga-ses de combustão.

Se por exemplo, os gases escoam a 1,5 m/s em um tubo de 2 polegadas, e o coeficiente . de transmissão e 10 kcal/h.m2/ C, e a perda 5 mm C.A., com a introdu-ção de uma tira retorcida com pas-so de 2 50 mm, teremos uma trans-missão de calor de duas vezes maior, e a perda é quatro vezes maior .

Na figura 14 temos uma fogo tubular de três passagens com a fornalha interna. Procura-se au-mentar o numero de passagens dos

Page 51: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

gases para que haja maior queda de temperatura dos gases e : por conseqüência melhor rendimento térmico.

Eis nesta figura uma caldei_ ra vertical fogotubular e aquatu-bular; e o caso especial (FTV-E) onde os tubos transversais incli-nados contem água e não gás de combustão como nos casos anterio-res (Figura 15).

FIGURA 15 - FTV - Fl - 2P-E.

Esta caldeira apresenta as características da anterior, po-rém, os tubos não cruzam de lado a lado o tubo central. São dedais soldados no tubo interno. Trata-se também de uma construção espe-cial (Figura 16) .

FTV - Fl - 2P-E.

Deve ser chamada a atenção para as complicações introduzidas com problemas de fabricação e mui_

tas vezes na própria manutenção da caldeira. Esta caldeira e usa da para recuperação de calor de gases.

As caldeiras verticais, da-da a sua disposição, são geralmen te, de pequena capacidade.

6.3.1.2. Fogotubulares horizontais (FTH)

Em nossa descrição de forna lha já mostramos algumas caldei-ras fogotubulares horizontais.

Assim, a figura 9 mostrou u ma caldeira tipo locomotiva, que é uma fogotubular horizontal com fornalha interna. Aqui na fig 17 temos uma outra caldei_ ra que se enquadra nos FTH com fornalha especial; é conhecida co mo 'caldeira de saia" por ter as paredes internas partindo do corpo e formando a câmara de combustão. E uma caldeira de duas passa gens, podendo ter três passagens.

FIGURA 17 - FTH - Fl - 2P-E.

Convém nesta altura salien-tar, que chamamos de parede fria, aquela que contém água e reveste ou refrigera uma fornalha. Esta caldeira é o caso típico de cal-deiras com parede fria, o mesmo o correndo com a anterior tipo loco-motiva e todas aquelas com forna" lhas internas. A figura 18 mostra uma caldeira que tem uma fornalha interna fria e duas passagens de gases

FIGURA 16

Page 52: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

FIGURA 18 - FTH - F1 - 2P

A fig. 19 mostra a mesma caldeira anterior porém, os gases têm mais uma pas-sagem para percorrer. Sua constru ção é simples, porem, temos as mesmas limitações de espaço ja comentadas para alojar uma fornalha grande .

A figura 10 mostrou a cal-deira FTH com fornalha externa de duas passagens. Nestas caldeiras o costado, que é o cilindro que recebe a pressão da caldeira, esta sujeito a incidência direta das chamas. Trata-se, na fig.20 do mesmo caso anta rior, porem, com mais uma passagem de gases, FTH-FE-3P.

A fig. 21 mostra uma unidade que foi a de maio

capacidade, pois incorpora duas fornalhas internas, o que dota as câmaras de combustão de maior vo-lume. Esta também é uma FTI1-2FI-3P.

FIGURA 21 - FTH - 2Fl - 3P

A fig.22 mostra outra caldeira dota-

da de fornalha externa que ela" possui três espelhos, sendo que o do meio é parcial para apenas ca-minhar os gases a segunda passa-gem. Mais uma vez se trata de um novo artifício para se dotar de maior volume a câmara de combustão Esta é uma FTH-FE-3P-E

FIGURA 20 - FTH - FE 3P

6.3.2. Caldeiras Aquatubulares (AT)

Até este ponto insistimos na tese da limitação física das for-nalhas nas fogotubulares e agora vamos ter unidades que não têm li mites quanto a sua sofisticação nem quanto as suas dimensões.

As caldeiras fogotubulares, sempre permitiram aos projetistas grandes possibilidades de formas

FIGURA 22 - FTH - FE - 3P - E,

Page 53: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria a Distância

e arranjos pois, no seu interior, a água ferve como numa panela de pressão. Com isso queremos dizer que não há preocupação quanto a ter superfícies de aquecimento ex postas ao fogo e que não tenham sempre adequada refrigeração de água. Quando temos uma panela fer vendo temos na parte inferior em contacto com o fogo, o desprendi-mento de bolhas de vapor que por serem leves sobem e provocam uma corrente ascendente de bolhas de vapor e uma descendente de agua . Estabelece-se uma circulação natu ra .

Um kg de agua no interior de uma caldeira com pressão de 8 kg/cm2, tem um volume de cerca de i litro, mas um kg de vapor , nas mesmas condições tem o volume de 219 litros, ou seja, a densida_ de do vapor é 219 vezes menor do que a densidade da água. Então e fácil compreender que uma mistura de água mais vapor nestas condi_ ções pode variar sua densidade en tre estes dois limites. Numa cal-deira fogotubular existe uma gran de agitação no seu interior com a água descendo e a mistura subindo mas não há preocupação quanto a fazer chegar a água no lugar onde o vapor é gerado, isto ocorre na-turalmente porque o espaço é gran_ de .

Quando passamos para as cal_ deiras aquatubulares os espaços são os dos tubos e não mais aque-les grandes das fogotubulares, e começamos a esbarrar em problemas de circulação natural, que nada mais é do que fazer com que haja uma judiciosa distribuição das superfícies de aquecimento em circuitos que estarão, mesmo sob as mais severas condições de tra-balho, sempre cheios de água. To-das as caldeiras aquatubulares le_ vam em conta estas considerações. Não entraremos em nenhum calculo neste sentido, porem, indicaremos no desfile de caldeiras que se seguirão, como se da a circulação natural da água.

Podemos subdividir as cal-deiras aquatubulares para efeito deste trabalho em:

. Caldeiras de câmaras

. Caldeiras de dois tambores

. Caldeiras de vários tambores.

6.3.2.1. Caldeiras de câmaras (AT-C)

Temos aqui, fig 23, uma caldeira aqua tubular AT-CL com o corpo longitu dinal. Esta caldeira apresentava as vantagens de tubos retos de facil limpeza interna e de substi tuição. A circulação natural era garantida com a água descendo nas câmaras traseiras e a mistura á-gua + vapor ascendendo nas câmaras frontais. Estas caldeiras são limitadas quanto ã sua capacidade em virtude de termos problemas pa ra aumentar o numero de tubos,bem como não e econômica a construção das câmaras.

FIGURA 23 - AT - CL.

Da mesma forma que a anterior, te mos a fig. 24, uma AC-CT onde se

pode aumentar o numero de câmaras dispondo-se o corpo transversal-mente. É idêntica a anterior. Com o correr do tempo as paredes re-fratárias, que eram sempre expos-tas a chama, passaram a ter pare des d'-água, absorvendo maior quan-tidade de calor, e reduzindo a ma nutenção das paredes refratárias

Page 54: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

FIGURA 2 4 - AT - CT.

Caldeiras de res (AT-2T)

A figura 25 mostra uma cal-deira de dois tambores com uma fornalha tipo poço. Estas caldei-ras apresentam uma infinidade de combinação da altura, largura e comprimento, bastando aumentar a distância entre centros dos tambo_ res para se acomodar maior super-fície de aquecimento e dar a for-nalha a altura adequada para quais quer condições de trabalho. Na largura aumentamos o comprimento dos tambores e temos as dimensões requeridas. Além de ser possível aumentar a altura da fornalha com o aumento da distância entre cen tros , os coletores das paredes d'água podem descer a qualquer ní vel pratico de modo que estas cal-deiras se constituirão no mais versátil arranjo de dimensões.

0 problema da circulação na tural é resolvido mantendo-se uma zona fria, isto e, sem grande ab-sorção de calor que permita man-ter um fluxo contínuo descendente de água, para alimentar os tubos geradores de vapor c os coletores das paredes. Apenas a título de ilustração e mostrada na fig. 26 outra caldeira ".que

pode ter 3, 4 ou mais tambores,se prestando a diversos arranjos de superfície de aquecimento c de fornalhas. As unidades de dois tambores são mais econômicas pois r e a l i z a m a mesma tarefa com menos tambores.

FIGURA 26 - AT - 3T.

6.4. CALDEIRAS MISTAS

Quanto as capacidades pode_ mos atribuir as caldeiras fogotu-bulares o início da faixa indo a-te 15 t/h de vapor. Estes limites variam de fabricante para fabri-cante. Porem, quando se queima combustível solido, as dimensões das fornalhas não permitem que estas caldeiras gerem mais do que 3 ou 4 t/h de vapor.

A caldeira fogotubular tem uma vantagem inexcedível a seu favor por poder conter num reduzi-do espaço uma grande superfície de aquecimento e usar tubos retos com facilidade de limpeza e substituição, e a custo baixo.

Por outro lado, as caldei-ras aquatubulares apresentam uma

6.3.2.2. dois tambo

Page 55: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

vantagem enexcedivel quanto a permitir os mais variados arran-jos de fornalhas que 5 o que bus-camos para a queima de lenha.

Destas duas vantagens sur-giu o projeto da caldeira mista (CM) que são as que têm o corpo da caldeira fogotubular e a forna lha da aquatubular.

A figura 2 7 mostra um dos arranjos possíveis para estas cal-deiras.

os detalhes de construção, opera ção e manutenção de caldeiras ã lenha e sólidos em geral.

A Tabela XX permite aos fu-turos usuários fazerem uma compa-ração entre as diferentes unida des que lhes sao oferecidas, para evitar que sejam adquiridas cal-deiras inadequadas para seus re-quisitos.

A grande dificuldade nestas caldeiras é a obtenção de uma cir culaçao natural adequada.

No Brasil já existem estas caldeiras em funcionamento com rendimento operacional excelente, são unidades dotadas de ampla ca mara de combustão, com fornalhas refrigeradas por tubos d'água e apresentando grelhas refrigeradas São unidades patenteadas.

É preciso que se tenha em mente os problemas de dilatação , facilidade de troca dos tubos e sua limpeza, alem de dar garantia de circulação natural eficien te para evitar queima dos tubos.

6.5. GENERALIDADES

Não se pode , num trabalho tão curto como este, tratar todos

TABELA XX - Comparação de caldei ras para avaliação.

Unidades c

1. Tipo

A B

2. Evaporação Kg/h 3. Temperatura d'água °c 4. Consumo combustível Kg/h 5. Relação (2)/(4) Kg/Kg (1) 6. Temperatura Gases °C 7. Rendimento Térmico % (2) 8. PCS Kcal/Kg 9. Umidade % 10 Excesso Ar %

11 S.A. Convecção m2 -

12 S.A. Radiação m2 13 S.A. Total m2 14 Relação (2)/(13) Kg/m2,h 15 Vol. Câmara Combustão m3 16 Relação.[(4) /(11)] xPCS . Kcal/h,m3í3) 17 Peso Kg 18 Potência Instalada KW 19 Resistência dos Gases mm.C.A

Notas: (1) Comparar com Tabela -XVII (2)Comparar com Tabela -XIII (3) Limite usual 300.000 kcal/m3.h

Além de tudo o que acima se expôs, existem experiências sen-do realizadas para a queima de le nha picada, rejeitos vegetais é carvão em leito fluidizado.

É lastimável que tenhamos si do surpreendidos com firmas es-trangeiras tentando patentear a-quilo que pesquisamos o que nos forçara a não produzir o nosso produto após gastos enormes com pesquisas, projetos e estudos, a-

Page 56: queima biomassa caldeira

Curso de Especialização por Tutoria à Distância

lem de permitir que continue a es. calada de importações.

Na figura 28 e apresentada uma visão ligeira de uma fornalha de uma caldeira com base cm com-bustão com leito fluidizado.

Fornalha de leito flui

estado que é próprio dos leitos fluidizados.

Se imaginarmos esta massa de areia na fase fluidizada aque-cida ao ponto de inflamação da ma deira.Após arremessarmos pedaços de madeira no leito esta se infla mará e fornecerá. Assim se estabe-lece uma alimentação de combustí-vel contínua e o leito permanece-rá em combustão permanente. Mas a madeira tem cinzas e estas per-manecem no leito e tendem a elevar o seu nível ; quando isto ocor re , extraímos pelo tubo de extração do material do leito, uma quantidade que restabeleça o ní-vel ideal.

Estas fornalhas apresentam características únicas, como por exemplo elevado coeficiente de transmissão de calor o que permi te que a serpentina, mergulhada no leito, retire grande quantida-de de calor com pouca superfície de aquecimento, ao mesmo tempo em que se mantém um balanço térmi co que oferece baixa temperatura na câmara de combustão.

Estas fornalhas se prestam excelentemente a queima do carvão brasileiro pois a cinza e ex-traída e seu ponto de fusão não e atingido. Mantem-se temperatura em torno de 850/900 C no leito.

No caso, temos uma câmara de combustão totalmente refrigera da a água. Na sua parte inferior" temos um crivo que é o suporte do leito. Poe ele passa o ar de com bustão que vai manter o leito no estado de fluidização. Acima do crivo temos o leito que nada mais é do que uma camada de material inerte como areia, por exemplo. A passagem do ar corretamente dis-tribuído pelo crivo através do leito vai torná-lo fluidizado, is_ to é , a velocidade do ar ao pas-sar pelos grãos de areia tenderá a eleva-los e haverá um momento, para uma certa velocidade do ar, em que o leito se comporta e-xatamente como um líquido, porem, em estado de muita agitação inter_ na. As partículas caminham em to-das as direções estabelecendo um

FIGURA 28 dizado

Page 57: queima biomassa caldeira

Fontes Alternativas de Energia para a Agricultura

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

(CITADAS E A SEREM CONSULTADAS)

1. ANDRADE, E.B.ET.ALI "Princípios combustíveis sobre combustão e fornalhas" notas de aulas, 48p. 1984

2. ASAE, 'American Society of Agricultu- ral Engineers"- YEARBOOK Can Agriculture Provide Enangh Bio-mass for Euels 22-36. 1981.

3. BACELAR, Corrêa. Manual do Engenhei ro, Vol. II, Livraria Globo E-l a E-11. 1939.

4. BAUMEISTER, T.; AVALLONE, E.A. e BAUMEISTER, T. Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers. Ed. McGraw, 1958.

5. CLAAR II, P.W.; COLUIN, T.J., MARLEY, S.J.'Economic and Energy Analysis of Potential Cour Reside Harvest-ing Systems."IN: AGRICULTURAL ENERGY :. Vol. (2), Biomassa Ener-gy Crop Production 273-279, Ameri-can Society of Agricultural Engi-neers, 1980.

6. DECOURT, R.R."Combustíveis sólidos." In: Manual do Engenheiro Globo Porto Alegre, Enditora Globo,1977. Vol. 3, Tomo 2. p. 179-237.

7. DINIZ, V.Y. ; "Caldeiras a Lenha." IN: Gaseificação de Madeira e Carvão Vegetal. Fundação Centro Tecnoló-gico de Minas Gerais/CETEC. 114-:. 131. Belo Horizonte, 1981 .

8. FUNDAÇÃO INSTITUTO BRASILEIRO DE GEO- GRAFIA ESTATÍSTICA-FIBFE; ANUÁRIO ESTATÍSTICO DO BRASIL, p. 795, 1981.

9. GARCIA, R.; TORRES, C; CALZADA, J. F.; MENCHÚ, J.F. e ROLZ, C. " Eco-nomic Evaluation of Alternative Energy Sources For Coffea Bean Brying." IN: FOOD DRYING proceding of a workshop held at Eduraton , Alberta, 6-9 july - 94-98. Cana dá. 1981.

10. GONZALES, M."Combustíveis e Forna- lhas"- Notas de Aula. 20p. CIEN-TEC, RS, 1980.

11. KREITH, F. Princípios de Transmis- são de Calor. Ed. Edgard Blucher, 3f50 p. SãcTPaulo, 1977.

12. LASSERAN, J.C."Combustíveis e Gera dores de Ar Quente'.' IN: Revista Brasileira de Armazenamento.Viço sa, 4(2): 75-88, 1977.

13. MAGALHÃES, J.G.R."Tecnologia de Ob tenção de Madeira'.' IN: Uso da Ma de ira para Fins Energéticos. Fim dação Centro Tecnológico de Mi-nas Gerais/CETEC. 55-66. Belo Ho rizonte, 1980.

14. MANUAL DO ENGENHEIRO GLOBO. 79 Vol. 29 Tomo. 581-524. Porto Alegre, Editora Globo, 1979.

15. MARTINS, H."Madeira como Fonte de Energia." In: Uso da Madeira para Fins Energéticos. Fundação Cen-tro Tecnológico de Minas 'Gerais/ CETEC. SPT-001 10-26. Belo Horj. zonte, 1980.

16. RIBEIRO, M.A. & OLIVEIRA FILHO, D. Florestas Sociais, Problemas, Perspectivas e Tarefas. Fund. João Pinheiro. Belo Horizonte 10 (1)2-18. jan. 1980.

17. SILVA, J.S. "Adaptação da Fornalha de Fogo Direto Descendente, UFV. III, para Secagem de Cereais" Conselho de Extensão. Universida de Federal de Viçosa. Informe Técnico N9 28. 8 p. 1982.

Page 58: queima biomassa caldeira

APÊNDICE I

VARIAÇÃO DOS PODÊRES CALORÍFICOS DA LENHA COM A UMIDADE

UMIDADE (%)

PCI

(KJ/kg)

0 19880 10 1764420 1541230 1318040 1094750 871560 648370 424780 201590 -

Page 59: queima biomassa caldeira

APÊNDICE II

RENDIMENTO TÉRMICO DE FORNALHA A LENHA EM RELAÇÃO AO PODER CALORÍFICO SUPERIOR, SENDO ISOLAMENTO DE TIJOLOS REFRATÁRIOS E EXCESSO DE AR DE 40% .

Temperatura de U nidade da Lenha (b, ,u.)

saída dos gases de combustão 0 10 20 30 40 50 60 70 80

200 81 ,4 80,0 78 ,1 75,8 72,7 68,4 61 ,9 51,1 29,4

22 5 80,2 78,7 76,9 74,5 71,4 67,0 60,4 49,3 27,3

250 79,0 77,5 15,7 73,3 7 0,0 65,6 58,8 47,6 25,2

275 77,8 76,3 74,4 72,0 68,7 64,1 57,3 45,9 32,0

300 76,6 75,1 73,2 70,7 6 7,4 62,7 5 5,7 44 ,1 28,9

325 75,5 73,9 71 ,9 69,4 66,0 61,3 54 ,2 42,4 28,8

350 74,3 72,7 70,7 68,1 64,7 5 9,9 52,7 40,7 16,7